Feldmessungen an Biomassekesseln zur Bewertung der Grenzwertüberwachung

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1 Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik Prof. Dr. techn. G. Scheffknecht Feldmessungen an Biomassekesseln zur Bewertung der Grenzwertüberwachung Winfried Juschka / Michael Struschka

2 Projekt Durchführung von Feldmessungen an Biomassekesseln zur Bewertung der Grenzwertüberwachung nach 1. BImSchV Laufzeit: bis Durchführung der Feldmessungen: Februar - März 2016 Untersuchungsziele: Bewertung von Schornsteinfegermesstechnik für Überwachungsmessungen Aussagekraft von Kurzzeitmessungen - Langzeitverhalten der Anlagen in Praxis Einfluss von Messbedingungen in der Praxis 2

3 Vorgehensweise Durchführung von Prüfstands- und Feldmessungen an unterschiedlichen Biomassekesseln mit verschiedenen Brennstoffen Prüfstandsmessungen an 2 Feuerungen mit Holzpellets und Hackgut sowie stückiges Buchenholz mit 2 Referenzmessverfahren für Staub und 2 Schornsteinfegermessgeräten sowie Referenzverfahren für O 2 und CO Feldmessungen an 4 Anlagen mit Hackschnitzeln, Pellets und Stückholz (4 Wochen je ein Messtag) mit Referenzmessverfahren für Staub, O 2 und CO und 2 Schornsteinfegermessgräten Vergleichsmessungen mit Schornsteinfeger 3

4 Messtechnik Referenzmessverfahren Schornsteinfegermessgeräte CO nichtdispersiver Infrarotsensor (NDIR) O 2 paramagnetischer Sensor Staub nach VDI 2066 Blatt 1 (2006) Messprinzip: direktgravimetrisch Gerät 1: Online-Messgerät Gerät 2: Filtermessgerät mit Waage Anpassungen: Messdauer (15 min nach 1. BImSchV) Filtrationstemperatur nach VDI 4206 Blatt 2 (2015) Filterbehandlung Spülvorgang und Spülflüssigkeit Für beide Geräte erfolgte eine Eignungsbekanntgabe für Überwachungsmessungen 1. BImSchV 4

5 Liste bekanntgegebener Schornsteinfegermessgeräte Grenzwertüberwachung nur mit bekanntgegebenen Messgeräten 1. BImSchV Messunsicherheit nicht zu Lasten des Betreibers Geräteprüfung Messunsicherheit wird ermittelt. Anforderungen VDI-Richtlinien müssen erfüllt sein Überwachungsmessung erweiterte Messunsicherheiten werden vom Messwert abgezogen Staub: 40 % / CO: 20 % 5

6 Prüfstandsmessungen Heizkessel Hackgutkessel (NWL 24 kw) Betrieb mit Holzpellets und Hackgut gute Verbrennung, geringe Emissionen Stückholzkessel (NWL 14,5 kw) Betrieb mit Buchenholz schlechte Verbrennung, hohe Emissionen Bildquellen: Kesselhersteller 6

7 Prüfstandsmessungen Messtrecke und Ergebnisse Referenzmessverfahren 1000 Ergebnisse Referenzmessverfahren Staub Relative Standardunsicherheit: ~ 9 % Anforderung nach VDI 4206 B2 (2015): erfüllt MS 1 MS 3 MS 4 MS 2 MS Gase Referenzmessverfahren Staub 2 beide Schornsteinfegermessgeräte Referenzmessverfahren Staub 1 7

8 Vorgehensweise bei den Messungen Kessel in (nahezu) stabilem Zustand Kernstromsuche / Messung Abgasgeschwindigkeit Dichtheitsprüfung Staub- und Schornsteinfegermessgeräte Aufheizen bzw. Stabilisierungsphase bei Staub- und Schornsteinfegermessgeräten Einführen der Sonden in die Messstrecke und Ausrichtung in Strömungsrichtung Zeitgleiches Starten der Staub- und Schornsteinfegermessgeräte Probenahme 15 Minuten 8

9 Prüfstandsmessungen Ergebnisse Vergleichsmessungen - Staub erweiterte Messunsicherheit (Anforderung: 40%): GW 20 mg/m 3 (0,02 g/m 3 ) Messgerät 1: 25 % Messgerät 2: 29 % Anforderungen der VDI 4206 Blatt 2 (2015) werden erfüllt Ergebnisse der Eignungsprüfungen werden bestätigt 9

10 Prüfstandsmessungen Ergebnisse Vergleichsmessungen - CO erweiterte Messunsicherheit (Anforderung: 20%) alle Messwerte ab 100 mg/m 3 Messgerät 1: 17 % Messgerät 2: 8 % Messwerte > 600 mg/m 3 nicht dargestellt Anforderungen der VDI 4206 Blatt 1 (2010) werden erfüllt Ergebnisse der Eignungsprüfungen werden bestätigt 10

11 Prüfstandsmessungen Ergebnisse Vergleichsmessungen - O 2 erweiterte Messunsicherheit (Anforderung: 0,5 Vol.-%) Messgerät 1: 0,4 % Messgerät 2: 0,5 % Anforderungen der VDI 4206 Blatt 1 (2010) werden erfüllt Ergebnisse der Eignungsprüfungen werden bestätigt 11

12 Feldmessungen Anlagen und Messstellen Anlage 1: Hackschnitzelkessel mit Elektrofilter Baujahr 2007 (Inbetriebnahme 2008) Grenzwerte 1. BImSchV Nennwärmeleistung Staub 0,15 g/m³ / CO 0,5 g/m³ 800 kw Messstelle Staub ca. 10 m/s / ca. 140 C Brennstoffe Hackschnitzel unterschiedlicher Qualität Wasser: Massen-% Asche: 0,8-3 Massen-% Anlage 2: Pelletkessel 1 Baujahr 2009 Grenzwerte 1. BImSchV Nennwärmeleistung Staub 0,15 g/m³ / CO 1 g/m³ 190 kw Messstelle Staub ca. 3,5 m/s / ca. 260 C Brennstoffe Holzpellets nahezu gleicher Qualität Wasser: 7,1-7,7 Massen-% Asche: 0,40 Massen-% 12

13 Feldmessungen Anlagen und Messstellen Anlage 3: Pelletkessel 2 Baujahr 2014 Grenzwerte 1. BImSchV Nennwärmeleistung Staub 0,06 g/m³ / CO 0,8 g/m³ 199 kw Messstelle Staub ca. 3,5 m/s / ca. 150 C Brennstoffe Brennstoffmischungen aus Holzpellets und Holzreste Wasser: 5,6-7,1 Massen-% Asche: 0,54 Massen-% Anlage 4: Stückholzkessel Baujahr 2014 Grenzwerte 1. BImSchV Nennwärmeleistung Staub 0,1 g/m³ / CO 1 g/m³ 47 kw Messstelle Staub ca. 2 m/s / ca. 170 C Brennstoffe Stückholz unterschiedlicher Qualitäten Wasser: 9,0-14,7 Massen-% Asche: 0,58 Massen-% 13

14 Feldmessungen Ergebnisse Vergleichsmessungen - Staub - alle Anlagen erweiterte Messunsicherheit (Anforderung: 40%): GW 100 mg/m 3 (0,1 g/m 3 ) Messgerät 1: 31 % Messgerät 2: 37 % Anforderungen der VDI 4206 Blatt 2 (2015) werden erfüllt Erweiterte Messunsicherheiten in Feldmessungen etwas höher als bei Eignungsprüfungen 14

15 Feldmessungen Ergebnisse Vergleichsmessungen - CO - alle Anlagen erweiterte Messunsicherheit (Anforderung: 20%): GW mg/m 3 (1 g/m 3 ) Messgerät 1: 27 % Messgerät 2: 22 % Anforderungen der VDI 4206 Blatt 1 (2010) werden nicht erfüllt 15

16 Feldmessungen Ergebnisse Vergleichsmessungen - O 2 - alle Anlagen erweiterte Messunsicherheit (Anforderung: 0,5 Vol.-%): alle Messwerte Messgerät 1: 0,3 % Messgerät 2: 0,4 % Anforderungen der VDI 4206 Blatt 1 (2010) werden erfüllt 16

17 Feldmessungen Einfluss Messbedingungen - Staub - Anlage 1 Messung nach Elektrofilter: Messgerät 2 liegt meist außerhalb der erweiterten Messunsicherheit 17

18 Feldmessungen Einfluss Messbedingungen - Anlage 1 - Randbedingungen Konstanz Kesselbetrieb: Emissionen sind abhängig von Brennstoffqualität und Wärmeleistung Einhaltung Grenzwerte: (Staub 0,15 g/m³ / CO 0,5 g/m³) Staub: unkritisch wegen E-Filter CO: bei hohem Wassergehalt und geringerer Wärmeleistung können Überschreitungen auftreten 18

19 Feldmessungen Einfluss Messbedingungen - Anlage 2 - Randbedingungen Konstanz Kesselbetrieb: Emissionen sind abhängig von Laufzeit des Kessels nach Kesselstart Einhaltung Grenzwerte: (Staub 0,15 g/m³ / CO 1 g/m³) Staub: unkritisch wegen hohem Grenzwert CO: bei längeren Kessellaufzeiten treten Überschreitungen auf 19

20 Feldmessungen Einfluss Messbedingungen - Anlage 4 - Kesselkonzept / Einstellung Konstanz Kesselbetrieb: Emissionen sind immer sehr hoch Einhaltung Grenzwerte: (Staub 0,1 g/m³ / CO 1 g/m³) Grenzwerte werden deutlich überschritten 20

21 Fazit Bewertung von Schornsteinfegermesstechnik für Überwachungsmessungen direktgravimetrische Messverfahren sind geeignet o mögliche Einschränkung: Messungen nach E-Filter CO- und O 2 -Sensoren sind geeignet o CO-Sensoren können derzeit keine noch schärferen Anforderungen erfüllen Aussagekraft von Kurzzeitmessungen - Langzeitverhalten der Anlagen in Praxis o keine der untersuchten Anlagen lief konstant (Bandbreiten bei CO und Staub mindestens Faktor 2) o hierdurch: Grenzwerte werden z.t. eingehalten und z.t. überschritten Einfluss von Messbedingungen in der Praxis o größere Bandbreite der Messergebnisse (Kesselbetrieb, Messbedingungen, Brennstoff) o Messunsicherheiten 1. BImSchV werden eher ausgeschöpft 21

22 Vielen Dank! Michael Struschka Winfried Juschka Telefon +49 (0) Fax +49 (0) Universität Stuttgart Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik Pfaffenwaldring Stuttgart