Flammlose Verbrennung (FLOX ) zur NOx-Minderung Konzept und Anwendung für automatische Holzfeuerungen

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Daniel Geiger
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1 Flammlose Verbrennung (FLOX ) zur NOx-Minderung Konzept und Anwendung für automatische Holzfeuerungen Christian Gaegauf 9. Holzenergie-Symposium 2006

2 FLOX-Technik am Ökozentrum Langenbruck FLOX-Brenner für Wärme-Kraft-Anlagen: Funktionsmuster eines 1.2 kw Stirling-Freikolbenmotors mit FLOX- Brenner für Gas und Heizöl Prototyp des Stirlingmotors von Stirling Systems AG

2 kw Stirling-Freikolbenmotors mit FLOX- Brenner für

3 FLOX-Brenner reduziert thermische NOx LZ = 1.8 LZ = 1.6 LZ = 1.4 NOx-Emissionen [mg/m 3 3% O 2 ] adiabate Reaktionstemperatur [C] LZ = 1.1

4 NOx-Emissionen [mg/m 3 n @ 3% O 2 ] 10 20 30 40 1300

4 FLOX-Brenner für Bio-Reststoffe EC-Projekt Bio-Pro: Energie aus flüssigen und gasförmigen Bio- Reststoffen Laborversuche mit LCV-Gas mit Hu 2 MJ/m 3 (1/18 Hu-Erdgas) Luftvorwärmung 300 C CO und NOx < 20 mg/m 3

Reststoffen Laborversuche mit LCV-Gas mit Hu 2 MJ/m

5 FLOX-Brenner für Schwachgas 40 kw FLOX-Fackel im Feldtest verbrennt Deponiegas mit einem Methangehalt von ca. 10%. Es können jährlich Methan- Emissionen in der Höhe von 600 Tonnen CO 2 - Äquivalent verhindert werden. Handel mit CO 2 -Zertifikaten im Wert von CHF pro Jahr.

Es können jährlich Methan- Emissionen in der Höhe von 600 Tonnen CO 2

6 Holz-Brennstoff-NOx: FLOX-Arbeitshypothese Konversions-Effizienz von Brennstoff-Stickstoff zu NOx Konversionsfaktor zu NO im Abgas [-] Stickstoff-Gehalt des Brennstoffes [Gewichts-%]. Resultate aus zwei Untersuchungen ohne Luftstufung Resulte mit gestufter Verbrennung (Vergasung/ Reduktion/Oxidation) 100% Konversion 300 mg/m 3 n Argon-Versuch: 110 mg/m 3 n Red.zone: 80 mg/m 3 n Pellets-Realprozess: 160 mg/m 3 n Quellen: R. Keller, T.Nussbaumer, ETH Zürich 1994 R. Marutzky, Wilhelm-Klauditz-Insititut, 1991

Resultate aus zwei Untersuchungen ohne Luftstufung Resulte mit gestufter Verbrennung (Vergasung/ Reduktion/Oxidation) 100% Konversion 300

7 FLOX-Brenner-Versuche mit Erdgas zur Reduktion der Brennstoff-NOx 400 (2) NO-Eindüsung 350mg/m NOx, CO [mg/mn 3 ] (4) Luftzahl [-] CO NOx Luftzahl tot Luftzahl 1 50 (1) (3) (5) Zeit [h] Eindüsung von NO in Verbrennungsluft als Brennstoff-Stickstoff

2 NOx, CO [mg/mn 3 ] 300 250 200 150 100 (4) 1 0.8 0.6 0.

8 Double-FLOX-Design für Festbrennstoffe Ausbrandzone Reduktionszone

9 Double-FLOX-Pellet-Versuchsbrenner Double-FLOX-Brenner mit Reduktions- und Ausbrandstufe Primärstufe: 20 kw Pelletbrenner (Ökofen, Österreich)

10 Double-FLOX: DENOx-Wirkung in Reduktionszone NOx [mg/m 3 O Luftzahl Ende Reduktionszone (sekundär) [-]

70 60 0.86 0.88 0.90 0.92 0.94 0.96 0.98 1.

11 Double-FLOX und Variationen DENOx: Standard / Single-FLOX / Double-FLOX Messungen Februar/Juni 2006, gleiche Charge Pellets, FLOX-Brenner λ primär = konst. = 0.6 NOx [mg/m 3 O Gesamtluftzahl λ tot [] Standard Pelletkessel (prim./sek. Luft) FLOX Pelletbrenner (prim./sek. Luft) FLOX Pelletbrenner (prim./sek./tert. Luft)

6 NOx [mg/m 3 n] @13% O2 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20

12 Double-FLOX Variationen CO: Standard / Single-FLOX / Double-FLOX Messungen Februar/Juni 2006, gleiche Charge Pellets, FLOX-Brenner λ primär = konst. = 0.6 CO [mg/m 3 O Standard Pelletkessel (prim./sek. Luft) FLOX Pelletbrenner (prim./sek. Luft) FLOX Pelletbrenner (prim./sek./tert. Luft) Gesamtluftzahl λ tot []

6 CO [mg/m 3 n] @13% O2 60 40 20 Standard Pelletkessel (prim./sek.

13 FLOX-Holzpellet-Brenner: Fazit Bei der Holzverbrennung stammt der grösste Teil der NOx- Emissionen aus Brennstoff-N. Thermische NOx spielen eine geringere Rolle. Von den Brennstoff-N basierenden NOx-Emissionen lassen sich nur rund ein Drittel reduzieren. Der Rest, typischerweise 70 bis 90 mg/m 3 n sind auch mit einer 1100 C FLOX-Reduktionszone nicht reduzierbar. FLOX-Technik verhindert thermische NOx, erzielt aber gegenüber optimierten, konventionellen Reduktionsstufen keine signifikant höhere NOx-Emissionsreduktion. FLOX-Technik ermöglicht durch die intensive Gasmischung auf kleinem Raum konstante Prozessbedingungen. Dies erlaubt einen vollständigem Ausbrand bei geringsten CO-Emissionen selbst bei tiefen Luftzahlen. Tiefen Luftzahlen sind ein Vorteil, falls Abgasrezirkulation zur Partikelreduktion angewendet wird, da in der Reduktionszone die Temperaturen nicht zu stark abgesenkt werden.

Der Rest, typischerweise 70 bis 90 mg/m 3 n sind auch mit einer 1100 C FLOX-Reduktionszone nicht reduzierbar.

14 Primärmassnahmen zur Feinstaubreduktion mit Glutbett-Temperaturführung Faktor 6 weniger Feinstaubpartikel eines 300kW Holzschnitzel-Kessels mit Glutbett-Temperaturführung durch Abgasrezirkulation (Schmid AG)

Feinstaubpartikel eines 300kW Holzschnitzel-Kessels

15 Feinpartikelminderung durch Glutbett-Temperaturführung NC = dn/dlog(dp) 5.0E E E E E+08 Verringerung der Partikelanzahl Verkleinerung des MODE-Durchmessers ohne Abgasrezi, Abgas- Tanne Rezirkulation, 20%atro, P = 290 kw 290 kw mit mit Abgasrezi, Abgas- Tanne Rezirkulation, 20%atro, P = 290 kw 290 kw Partikelanzahlkonzentration 2.5E E E E E E Partikeldurchmesser [nm]

Rezirkulation, 20%atro, P = 290 kw 290 kw mit mit Abgasrezi, Abgas- Tanne Rezirkulation, 20%atro, P = 290 kw 290

16 Energie aus nicht-holziger Biomasse Von europaweiten ca. 55 Mio. Tonnen pelletierbaren und nicht anderweitig genutzten Bio- Reststoffen sind nur 8 Millionen Tonnen aus Holz. EUREKA-Projekt

17 Hintergrund In der EU25 werden die pelletierbaren, nicht anderweitig eingesetzten Bio-Reststoffe auf 55 Mio Tonnen pro Jahr geschätzt davon sind nur 8 Mio Tonnen sind aus Holz. In Serbien wird eine Strohmenge auf dem Feld abgefackelt, die dem halben Heizenergiebedarf des Landes entspricht. In der Schweiz betragen die inländisch entstehenden Müllerei-Filterstäube, welche heute nicht mehr als Futtermittel eingesetzt werden dürfen, ca t/a das entspricht dem 2004 CH-Konsum an Holzpellets. Zusätzlich fallen in Europa mehr als 1 Mio t/a nicht essbare Getreide an (Lagerschäden, Schimmel)

In der Schweiz betragen die inländisch entstehenden Müllerei-Filterstäube, welche heute nicht mehr als Futtermittel eingesetzt werden dürfen, ca.

18 Industriepartner Partner Serbien-Montenegro: Trocknungsanlagen kw mit Verbrennung von Mais-Spindeln, Strohballen, Pflaumenund Kirschensteine Partner CH/Liechtenstein: Pelletkessel für Biopellets Heizung/ Warmwasser

Mais-Spindeln, Strohballen, Pflaumenund Kirschensteine

19 Chinaschilf-Pellets (Miscanthus): NOx-Reduktion Chinaschilf, Ökozentrum Langenbruck, /ms NOx [mg/m 3 O mindestens 2 Zonen nur Primärluft -40% Sekundär Luftzahl λ sek [-]

06/ms NOx [mg/m 3 n] @13% O2 240 220 200 180 160 140 120 mindestens

20 Chinaschilf-Pellets: CO-Emissionen Chinaschilf, Ökozentrum Langenbruck, /ms CO [mg/m 3 O CO NOx NOx [mg/m 3 O Gesamt Luftzahl λ tot [-]

06/ms 40 280 CO [mg/m 3 n] @13% O2 35 30 25 20 15 10 5 CO

21 FLOX-Potenzial in Biomasse Wärme-Kraft-Anlagen Die Firma Kompogas plant gemeinsam mit dem Ökozentrum Langenbruck die erste holzbefeuerte Heissgasturbinen-Anlage (100 kwe / 250 kwth) in der Schweiz. Die Abwärme (300 C) wird von einer ORC-Turbine (35 kwe) genutzt. Neuer Ansatz für kompakte Biomasse-Combined- Cycle-Anlagen (Wirkungsgrad ca. 30%).

22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dank an: Martin Schmid 1, Daniel Hegele 2, Joachim G. Wünning 3 1 Ökozentrum Langenbruck (CH) 2 Hoval Werke AG, Vaduz (FL) 3 WS-Wärmeprozesstechnik GmbH, Renningen (D) Schweizer Bundesamt für Energie Schweizer Bundesamt für Umwelt Kommission Technologie und Innovation Staatssekretariat für Bildung und Wissenschaft

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