Nutzung biogener Festbrennstoffe auf der Basis von Stroh

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1 Nutzung biogener Festbrennstoffe auf der Basis von Stroh Dr. Ute Bauermeister GNS - Gesellschaft für Nachhaltige Stoffnutzung mbh Weinbergweg 23, Halle Tel./Fax: / info@gns-halle.de; Internet: ENERTEC Forum Bioenergie, Leipzig 1

2 Inhalt 1. Brennstoffrelevante Eigenschaften von Stroh und anderen Biomassen im Vergleich zu Holz 2. Herstellung von Biomassepellets bzw. Biomassebriketts aus Stroh 3. Verbrennungsverhalten von Strohbriketts 4. Ascheverwertung 2

3 Eigenschaften von Stroh bei der Verbrennung Unterscheidung in Form, Festigkeit, Schüttdichte, Energiedichte und Energiegehalt Auswirkung auf Transport, Lagerung (Abrieb), Verbrauch (Anlageneffizienz), Dosierung und Abbrandverhalten Erhöhter Aschegehalt von Stroh gegenüber Holz 5 15-fach höherer Aschegehalt, Verschlackungsneigung durch den hohen Alkaliengehalt Erhöhter Gehalt an N, Cl, S von Stroh gegenüber Holz brennstoffbedingte, höhere NO x -, SO 2 - und HCl-Emissionen Höhere Staubemissionen gegenüber Holz aufgrund des höheren Mineraliengehaltes fällt mehr Feinstaub an 3

4 Vielfaches zu Holz Inhaltsstoffe von Biomassen im Vergleich zu Holz Körner Stroh Getreide GP Gräser Gärrest Ma.-% TS N P K S Ca Mg Cl Holz 0,28 0,05 0,18 0,04 0,46 0,05 0,01 Körner 1,96 0,36 0,45 0,23 0,06 0,13 0,05 Stroh 0,63 0,13 1,55 0,11 0,56 0,11 0,40 Getreide GP 1,20 0,24 0,90 0,14 0,20 0,10 0,19 Gräser 1,70 0,25 2,16 0,13 0,74 0,34 0,48 Gärrest 2,19 1,23 1,79 0,46 1,33 0,74 0, N P K S Ca Mg Cl Berücksichtigung des Verbleibs der Inhaltsstoffe nach der Verbrennung 4

5 NO x -Emissionen bei der Biomasseverbrennung brennstoffbedingte NO x -Bildung a) Direkte Oxidation zu NO / NO 2 b) 4 NH NO + O 2 = 4 N H 2 O Reduktion durch gestufte Verbrennung mit l-regelung ,4% 12,0% 13,1% 13,6% 9,1% 12,5% 10,4% N-Bilanz g/h N im Brennstoff g/h N emittiert Stickstoff in Asche 25% 30% VL TL VL TL VL TL VL VL TL WGI WGI WGII WGII WW WW Roggen Holz Holz Geringere Emissionen bei automatisch betriebenen, geregelten, zweistufigen Biomassefeuerungsanlagen. Nur ca. 15 % des Brennstoffstickstoffs werden zu NO x umgewandelt. 5

6 Asche [% TS] Zusammenhang zwischen Aschegehalt und Heizwert mit steigendem Aschegehalt sinkt der Heizwert Holz Körner Stroh GetreideGP Gräser Gärrest Max 2,0 2,4 12,2 4,4 23,1 9,3 Min 0,4 1,5 4,4 4,1 3,9 18,4 MW 0,8 2,0 6,2 4,2 8,8 15,7 Besondere Inhaltsstoffe beeinflussen die Bandbreite ein hoher Gehalt an Harz, Öl, Lignin heizwerterhöhend Hu [MJ/kg TS] Holz Körner Stroh GetreideGP Gräser Gärrest Max 19,2 17,1 17,8 17,7 17,7 18,1 Min 16,9 16,3 15, ,1 15,3 MW 18,3 16,7 17,2 17,3 16,6 16,5 6

7 Sinterbegin [ C] Ascheerweichungsverhalten und Inhaltsstoffe K und Mg erniedrigen und Ca erhöht den Ascheschmelzpunkt. Bestimmte Strohsorten weisen ein mit Holz vergleichbares Ascheschmelzverhalten auf Sinterbeginn [ C] Hanfstroh Rapsstroh Holz Stroh Körner Max Min MW Ma.-% TS Holz Stroh Körner K 0,18 1,55 0,45 Mg 0,05 0,11 0,13 Ca 0,46 0,56 0,06 7

8 Herstellung von Biobrennstoffen aus Stroh Optimale Mischung z.b. Auswahl der Strohsorten; ggf. Mischung mit Holz, ggf. Zusatz Kalk Trocknung Pressen, Brikettieren, Pelletieren Erhöhung des Ascheschmelzpunktes Vermeidung von Verunreinigungen Erhöhung des Heizwertes Erhöhung der Schüttdichte, der Transportwürdigkeit und Energiedichte Pelletierung: Erhöhung der Schüttdichte von 60 kg/m³ auf 600 kg/m³ Erreichen einer Pelletdichte von 1200 kg/m³ Brikettierung: Erhöhung der Schüttdichte von 60 kg/m³ auf 450 kg/m³ Erreichen einer Brikettdichte bis ca kg/m³ 8

9 Beispiel: Herstellung von Strohbriketts aus Stroh zum Einsatz im Stückholzkessel Verbundvorhaben, gefördert durch die AiF (Dezember 2007 September 2009) Beteiligte Unternehmen: Hartmut Wolff, Schädlingsbekämpfung & Biobrennstoffe, Großbothen RUF GmbH & Co. KG, Zaisertshofen GNS mbh (Einbeziehung des FBZ e.v.) Entwicklung der Prozesskette (Systemlösung) Presstechnik, Herstellungsverfahren Wissenschaftliche Begleitung 9

10 Herstellung der Strohbriketts Einkauf des auf dem Feld liegenden Strohs (Strohpressen durch Lohnunternehmen) Transport ins Strohlager Herstellung der Mischung im Ballenauflöser mit Strohhäcksler Trocknung im Zwischenbehälter Brikettkosten ca. 125 /t (bei Produktion von 5000 t/a) 2-Strang-Brikettpresse mit Dosiereinrichtung für Zuschlagstoff Verpackung bzw. Zwischenbehälter für Abgabe (Transport vom Ballenauflöser bis Verpackung im geschlossenen System) 10

11 Untersuchung geeigneter Strohmischungen Brennstoffe: Vorbehandlung: Zusätze: Rapsstroh, Weizenstroh, Gerstenstroh, Triticalestroh, Roggenstroh, Heu => Analyse und Festlegung bevorzugter Strohmischungen Art und Zeitpunkt der Ernte (Feldliegezeit), Lagerung, Zerkleinerung, Trocknung (auf TS %) => gleichmäßige Trocknung und Zerkleinerung als Voraussetzung für qualitativ hochwertige Briketts mit gutem Anbrennverhalten organisch (kohlenhydrathaltig), anorganisch (mineralisch), max. 2 %, preiswerte Quellen => optimale Mischung auch ohne Zusätze 11

12 Parameter Einheit Biobrikett (Mittelwert) Größe mm 62 x 63 x 71 Eigenschaften der Briketts 12 Biobrikett (Bandbreite) Rohdichte kg/dm³ 0,8 0,7 bis 0,9 Abrieb 1 % 6,2 3,6 bis 11,2 Wassergehalt % 5,7 4,9 bis 6,3 Strohpellets im FNR- Messprogramm Asche (bei 550 C) % TS 6,9 6,1 bis 8,4 3 bis 12 Heizwert H u MJ/kg 17,4 17,2 bis 17,6 16,8 bis 17,5 Schwefel % TS 0,09 0,07 bis 0,12 0,04 bis 0,7 Chlor % TS 0,15 0,1 bis 0,2 0,02 bis 1,8 Stickstoff % TS 0,6 0,5 bis 0,7 0,3 bis 1,2 Kalium % TS 1,2 1,1 bis 1,5 0,4 bis 3,7 Energiedichte MW/m³ 3,7 3,4 bis 4,3 Ascheschmelzpunkt C > 900 > bei starker Beanspruchung im Lognitester nach DIN-ISO

13 Durchführung von Feldmessungen Ermittlung des Betriebs- und Emissionsverhaltens (nach 1. BImSchV) an Kleinfeuerungsanlagen mit verschiedenen Stroh-Mischbriketts Kaminofen, 6 kw: bereitgestellt durch Fa. Wolf mit Primär- und Sekundärluftregelung Einzelmessungen: 1 Vergaserkessel, 1 Stückholzkessel bei Fa. Lopper Kesselbau GmbH Kaminofen 13

14 Konzentration [g/m³] Temperatur [ C] Schwankungen im Betriebsverhalten (Kaminofen) 40 M CO Abgastemperatur Zeit [min] 0 Abbrand: Anstieg des Lambda-Wertes von ca. 2 auf 5 bis >10 Abfall des Wirkungsgrades von ca. 80 % auf < 60 % 14

15 CO-Emissionen [g/nm³], 13% O 2 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 1. BImSchV (Stufe 1) Holz M4 M5 M6 M7 M8 M10 M11 VK StK durch Feuerungstechnik stark beeinflussbar VK (Vergaserkessel), StK (Stückholzkessel), jeweils Brikett M6 Vermeidung von CO-Spitzen durch Optimierung der Ofen- bzw. Kesseleinstellungen und Erfahrungen im Kesselbetrieb 15

16 1200 Staub-Emissionen [mg/nm³], 13 % O BImSchV (Stufe 1) 0 M4 M5 M6 M7 M8 M10 M11 VK StK VK (Vergaserkessel), StK (Stückholzkessel), jeweils Brikett M6 durch Feuerungstechnik beeinflussbar Reduktion nur durch Optimierung der Ofen- bzw. Kesseleinstellungen möglich, perspektivisch Filter erforderlich 16

17 NO x -Emissionen [mg/nm³], 13% O mg/m³ auf dem Prüfstand Holz M4 M5 M6 M7 M8 M10 M11 VK StK VK (Vergaserkessel), StK (Stückholzkessel), jeweils Brikett M6 trotz mangelhafter Regelung zwischen Primar- und Sekundärluft, beim Kamin niedrige Werte 17

18 Bewertung der Emissionsmessungen Die Eignung der Biobriketts in Kleinfeuerungsanlagen konnte grundsätzlich bestätigt werden. Das An- und Abbrandverhalten der Biobriketts ist mit dem von Holz vergleichbar. Eine Verschlackung wurde nicht bzw. kaum beobachtet. Die Einhaltung von Kriterien zur Mischung von Strohsorten hat sich bewährt. Der Einsatz in handbefeuerten Kleinanlagen ist jedoch mit erhöhten Emissionen verbunden und auch nach 1. BImSchV nicht zugelassen. Somit kommt nur ein Einsatz in geregelten automatisch betriebenen Feuerungsanlagen in Frage. Eine optimale feuerungstechnische Einstellung zur CO-Minderung und eine nachgeschaltete Staubabscheidung ist jedoch künftig nötig. 18

19 Verwertbarkeit der Aschen nach DüMV Ascheverwertung abhängig von: Pflanzenverfügbarkeit => keine Verschlackung! nur Rostasche verwertbar nach DüMV Einhaltung der Grenzwerte für Schwermetallgehalte => Vorteil von Stroh gegenüber Holz: Verdünnungseffekt => z.b. können Cd und As bei Stroh grenzwertig sein Einordnung in Düngemitteltypen => z.b. für handelsübliche Ca- und PK-Dünger Mindestgehalte ( pflanzenbaulicher Nutzen ) => Anreicherung von P, Ca, Mg in der Asche gegeben 19

20 Nährstoffe in Biomasseasche und ausgewählten Düngemitteln (kg/100 kg Asche) Aschen P 2 O 5 K 2 O MgO CaO S Holz (MW) 2 4,8 4,5 31 Stroh (MW) 1,7 10,7 3,2 5,9 Gärreste (berechnet) 15,4 10,2 7 10,1 Düngemittel, z.b. P 2 O 5 K 2 O MgO CaO PK-Dünger PK-Dünger Thomaskali Thomaskali Thomaskalk => Nutzung der Biomasseasche zur Kreislaufschließung 20

21 Vielen Danke für Ihre Aufmerksamkeit! 21