16. Fachkongress Holzenergie 2016 Augsburg NOx-Minderung ... · (20) Stubenvoll, J., et al. (2007): Technische Maßnahmen zur Minderung der Staub- und NOx-Emissionen bei Wirbelschicht-

16. Fachkongress Holzenergie

2016 Augsburg

NOx-Minderung gemäß TA-Luft 2017 Rest- und Altholzheizkraftwerke - Machbarkeit, Sinn, Vergleich

Vortragender: Harry Wilhelm

06. Oktober 2016

http://www.fachverband-holzenergie.de/

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Altholz = biogener Brennstoff


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Inhaltsverzeichnis

1. Vorstellung Ingenieurbüro Harry Wilhelm

2. Einführung in das Thema 2.1 NOx – Definition, Entstehung und Gefahrenpotenzial

2.2 Warum NOx mindern?

2.3 Vergleich NOx: PKW vs. Altholz-HKW in Deutschland

3. Brennstoff Altholz 3.1 Vergleich naturbelassenes Holz - Altholz

3.2 Vergleich Abfall - Altholz - EBS

3.3 Brennstoff-Stickstoff

3.4 Entstehung von NOx im Verbrennungsprozess

4. NOx-arme Rostfeuerung mittels Primärmaßnahmen 4.1 Schrägvorschubrost – Prinzipskizze Ausbrand

4.2 Schrägvorschubrost – Prinzipskizze Luftstufung

4.3 Rost-Einblasfeuerung

4.4 Wanderrost mit Wurfbeschickung

4.5 Vergleich Brennstoffstufung und Luftstufung

4.6 Brennstoff-Stickstoff-Umwandlung

5. NOx-Minderung mittels Sekundärmaßnahmen 5.1 SNCR, Anlagentechnik

5.2 NOx-Minderung

6. Systemvergleich für die Zukunft


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1. Vorstellung Ingenieurbüro Harry Wilhelm

Das Ingenieurbüro Harry Wilhelm bietet Ingenieur- und Beratungsleistungen für Projekte an im Bereich Energie aus Abfall- und Reststoffen:

– Konzeptplanung

• Abfallvorbehandlung und -verbrennung

• Rostfeuerung, Wirbelschichtfeuerung, Vergasung

– Genehmigungssteuerung

– Entsorgung der Rückstände (Rostasche, Filterreststoffe)

– Prozess- und Fernwärmeversorgung

Das Ingenieurbüro Harry Wilhelm hat in den letzten Jahren beispielsweise:

– 3 EBS-Anlagen geplant (S 85 MWFWL), eine befindet sich in der Projektierung

– mehrere Genehmigungsanträge nach 4. sowie nach 17. BImSchV erstellt

– Anlagen mit Brennstoff Altholz A I und A II mit insgesamt ca. 200 MWFWL betreut

– 15 ORC-Biomasse-Kraftwerke, Prozessoptimierung, Gutachten, Testate


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NOx ist die Sammelbezeichung für die giftigen nitrosen Gase, die bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entstehen.

Die Hauptquellen von NOx sind Verbrennungsmotoren und Feuerungsanlagen (für Kohle, Öl, Gas, Holz, Abfälle).

Für die Emission von Stickoxiden sind strenge Grenzwerte festgelegt. In der aktuellen

17. BImSchV sind für deutsche Abfallverbrennungsanlagen (MVA) mehrere Grenzwerte

(NOx=NO+NO2, berechnet und angegeben als NO2) zu beachten:

• 400 mg/Nm³ (½ h-Mittelwert,)

• 200 mg/Nm³ (Tagesmittelwert)

• 100 mg/Nm³ (Jahresmittelwert)

Für Neuanlagen mit einer Feuerwärmeleistung > 50 MW, die nach dem 31.12.2012 in Betrieb gehen, gilt

zukünftig ein neuer Grenzwert von < 100 mg/Nm³ (als Jahresmittelwert).

Nach der in § 17a beschriebenen Übergangsregelung bleiben bestehende Altanlagen so lange von dem

neuen verschärften NOx-Grenzwert unberührt, solange keine wesentlichen Änderungen an der Anlage

erfolgen.

Diese Regelung impliziert aber, dass auch bestehende alt-MVAs zukünftig die niedrigeren NOx-Grenzwerte

einhalten müssen. Für Abfallverbrennungsanlagen stellt dieser neue Grenzwert deutlich höhere

Anforderungen an die eingesetzten NOx-Minderungsverfahren.


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Als Stickoxide werden mehrere chemische Verbindungen aus Sauerstoff und Stickstoff

bezeichnet (siehe nachfolgende Tabelle) - für technische Verbrennungsprozesse sind NO

und NO2 von besonderer Bedeutung.

Aufgrund der Klimadiskussion kommt heute zusätzlich dem N2O (Lachgas) eine größere

Bedeutung zu, es ist davon auszugehen, dass es hier bald einen Grenzwert geben wird.

Erweiterte Überlegungen zur integrativen Vermeidung von Umweltauswirkungen am Beispiel der

Stickoxidemissionen aus Abfallverbrennungsanlagen (Richers, U. et al (2014), Report-Nr. KIT-SR

7680, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Karlsruhe)


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2. Einführung in das Thema 2.2 Warum NOx mindern?

Warum NOx (NOx=NO+NO2 ) mindern?

NOx schädigt Mensch, Tier und Vegetation in vielfacher Weise:

– NOx trägt zur Bildung von bodennahem Ozon bei

– NOx trägt zur Bildung von sekundärem Feinstaub bei

– NOx wirkt überdüngend, versäuernd und pflanzenschädigend

– NOx bewirkt beim Menschen:

Schädigung der Atemwege - es treten Hustenreiz, Atembeschwerden auf,

es treten Augenreizungen auf,

Herz- und Kreislauferkrankungen nehmen zu,

die Lebenserwartung sinkt.


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2. Einführung in das Thema 2.3 Vergleich NOx: PKW vs. Altholz-HKW in Deutschland

Folgende Bedingungen sind Voraussetzung für die Berechnung:

PKW-NOx

Berechnung erfolgte auf Basis von Statistiken und Mittelwerten

anteilmäßige Berücksichtigung aller Benzin- und Diesel-PKWs in Deutschland

Berücksichtigung der Europäischen Emissionsstufen (Euro-1, ….., Euro-6)

Altholz-HKW-NOx

Berechnung erfolgte auf Basis von Statistiken und Mittelwerten

Altholzbrennstoffspezifikation (w = 20 Ma-%; a = 3 Ma-%)

optimierte Feuerung mit ausreichendem Luftüberschuss (λ = 1,4)

durchschnittliche Feuerungswärmeleistung von 40 MW

Ziel der Berechnung

Gegenüberstellung der jährlich emittierten NOx-Fracht von PKWs und Altholz-

HKWs in Deutschland


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• Datenbasis als Grundlage der

Gegenüberstellung

• aufgeführte Werte beziehen

sich auf Statistiken

Gegenüberstellung der jährlichen

NOx-Emission und -Fracht

PKW Altholzheiz(kraft)werk

Anzahl der angemeldeten Benzin- und

Diesel-PKWs (Stand: 1. Januar 2016)

Anzahl der Altholz-HKWs

in Deutschland

80 HKWs

durchschnittliche

Feuerungswärmeleistung

ca. 44,4 Mio. PKWs ca. 40 MWFWL

durchschnittlicher Heizwert

des Altholzes

14,6 MJ/kg

ca. 4 MWh/Mg

jährliche Fahrleistung eines PKWsjährliche Betriebszeit

eines Altholz-HKWs

ca. 14.300 km/(a*PKW) ca. 7.500 h/(a*HKWs)


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• die Berechnungen beziehen sich auf

die zuvor genannten

Daten

→ Feuerungswärmeleistung /

Heizwert

→ jährlicher Brennstoffmassenstrom

pro HKW x HKW-Anzahl

→ gem. Verbrennungsrechnung

→ jährlicher Rauchgasvolumenstrom

pro HKW x HKW-Anzahl




jährliche Fahrleistung von PKWs in

Deutschland

durchschnittlicher Brennstoffmassen-

strom eines Altholz-HKWs

ca. 9.900 kg/(h*HKW)

jährlicher Brennstoffmassenstrom der

deutschen Altholz-HKWs

ca. 5,93 Mio. Mg/a

Verbrennungsluftverhältnis entspricht

6 Vol-% O2 im trockenen Rauchgas

ca. 635 Mrd. km/a 1,4

durchschnittlicher Rauchgas-

volumenstrom eines Altholz-HKWs

ca. 58.600 m³i.N.f./(h*HKW)

jährlicher Rachgasvolumenstrom der

deutschen Altholz-HKWs

ca. 35,12 Mrd. m³i.N.f./a


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→ PKW: berechnete Mittelwerte

→ HKW: konservativer Ansatz

→ HKW:

jährliche Rauchgasvolumenstrom x

Emissionswert

→ PKW:

jährliche Fahrleistung x

Emissionswert




ca. 190.500 Mg/a ca. 13.350 Mg/a

gemittelter kilometerspezifischer

Emissionswert eines PKWs

rauchgasvolumenspezifischer

Emissionswert eines Altholz-HKWs

300 mg/km 380 mg/m³i.N.f.

jährliche NOx-Fracht durch

Benzin- und Diesel-PKW

jährliche NOx-Fracht durch

Altholz(heiz)kraftwerke


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3. Brennstoff Altholz 3.1 Vergleich naturbelassenes Holz - Altholz

*: Anteil Spanplatten/Sperrmüll

Einheit naturbelassenes Holz Altholz

Heizwert Hu [MJ/kg] 10 bis 12 13 bis 15

Aschegehalt [%] 0,5 bis 1,5 2 bis 5

Wassergehalt [%] 25 - 45 15 bis 20

Chlorgehalt [%] < 0,02 0,3 bis 1,5

Stickstoffgehalt [%] < 0,5 1,5 bis 5*


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3. Brennstoff Altholz 3.2 Vergleich Abfall - Altholz - EBS

*: Anteil Spanplatten/Sperrmüll

Einheit Abfall Altholz EBS

Heizwert Hu [MJ/kg] 10 bis 11 13 bis 15 14 bis 16

Aschegehalt [%] bis 2,5 2 bis 5 10 bis 15

Wassergehalt [%] bis 25 15 bis 20 15 bis 20

Chlorgehalt [%] 1,0 0,3 bis 1,5 bis 2,0

Stickstoffgehalt [%] < 0,8 1,5 bis 5* 1,0


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3. Brennstoff Altholz 3.3 Brennstoff-Stickstoff

Primär- und Sekundärmassnahmen zur NO-Minderung in Biomassefeuerungen

(Nussbaumer, Th., VDI Berichte 1319, VDI-Verlag Düsseldorf 1997, 141 – 166)

ca. 4 % ≙ 40.000 mg/kg TS


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3. Brennstoff Altholz 3.4 Entstehung von NOx im Verbrennungsprozess

Bildungsmöglichkeiten von Stickstoffoxiden und zu erwartende Konzentrationen in

Abhängigkeit von Verbrennungstemperatur und der Art des Brennstoffs - (Zuberbühler, U.

(2002): Dissertation - Maßnahmen zur feuerungsseitigen Emissionsminderung bei der Holzverbrennung

in gewerblichen Feuerungsanlagen, im Selbstverlag des Institutes für Verfahrenstechnik und

Dampfkesselwesen der Universität Stuttgart, nach: NUSSBAUMER 1997)

NOx Rohwert


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4. NOx-arme Rostfeuerung mittels Primärmaßnahmen

Luftstufung

Brennstoff-Stufung

Kombination aus Luft- und Brennstoff-Stufung


17

4. NOx-arme Rostfeuerung mittels Primärmaßnahmen 4.1 Schräg-Vorschubrost – Prinzipskizze Ausbrand

getrennte

Luftzuführung:

Primärluft

Sekundärluft

Luftstufung


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4. NOx-arme Rostfeuerung mittels Primärmaßnahmen 4.2 Schräg-Vorschubrost – Prinzipskizze Luftstufung

Luftstufung


19

4. NOx-arme Rostfeuerung mittels Primärmaßnahmen 4.3 Rost-Einblasfeuerung

Brennstoff-Stufung


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4. NOx-arme Rostfeuerung mittels Primärmaßnahmen 4.4 Wanderrost mit Wurfbeschickung


21

4. NOx-arme Rostfeuerung mittels Primärmaßnahmen 4.5 Vergleich Brennstoffstufung und Luftstufung

TEXT …


22

4. NOx-arme Rostfeuerung mittels Primärmaßnahmen 4.6 Brennstoff-Stickstoff-Umwandlung


23

5. NOx-Minderung mittels Sekundärmaßnahmen 5.1 SNCR, Anlagentechnik


24

5. NOx-Minderung mittels Sekundärmaßnahmen 5.2 NOx-Minderung

NOx-Rohgaskonzentrationen und Emissionsgrenzwerte bei der Hausmüllverbrennung - (Hunsinger et al. (2012): Primärmaßnahmen zur NOx-Minderung in Abfallverbrennungsanlagen, in: Energie aus Abfall, Bd. 9, ISBN 978-3-935317-78-8)

.


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6. Systemvergleich für die Zukunft

kein Komponentenunterschied




kein Komponentenunterschied - unterschiedliche Luftaufteilungen

300 - 400 mm

teilweise bis komplett

wassergekühlt

max. 5 Ma-% Brennstoffasche

einfaches System

(Nassentaschung)

600 - 800 mm

komplett wassergekült


800 - 1.200 mm

luftgekühlt

Entaschung / Entschlackung

Verbrennungsluftverteilung

Hydraulik

Aufgabetrichter und -schacht

Brennstoffeintragesystem

Höhe - Brennstoffaufgabemaul

Rostmodule inkl. Hydraulik

Rostbelag

Rostsysteme im Vergleich

Rostkomponente Abfall/ Hausmüll Ersatzbrennstoffe (EBS) Altholz


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Ich danke Ihnen für Ihre

Aufmerksamkeit!

Für Fragen stehe ich Ihnen

gerne zur Verfügung.


27

(1) Nussbaumer, T. (2012): 12. Holzenergie-Symposium, Holzenergie-Nutzung in der Energiestrategie 2050, ETH Zürich

(2) Nussbaumer, T. (1988): Stickoxide bei der Holzverbrennung, ETH Zürich

(3) TU Dresden (2013): Schadstoffbildungs-/Abbaumechanismen, Fakultät Maschinenwesen

(4) Meiller, M., et al. (2012): NOX-Reduzierung bei der thermischen Verwertung von Alternativen zum Brennstoff Holz,

Fraunhofer UMSICHT-ATZ, Sulzbach-Rosenberg

(5) Meiller, M., (2012): NOX-Reduzierung bei der thermischen Verwertung von Alternativen zum Brennstoff Holz, 21. Symposium

Bioenergie Festbrennstoffe, Regensburg

(6) Beckmann, M., TU Dresden (2011): Beschreibung unterschiedlicher Techniken und deren Entwicklungspotentiale zur

Minderung von Stickstoffoxiden im Abgas von Abfallverbrennungsanlagen und Ersatzbrennstoff-Kraftwerken hinsichtlich

Leistungsfähigkeit, Kosten und Energieverbrauch, Texte 71/2011 im Auftrag des Umweltbundesamtes, Berlin

(7) Obernberger, I. (2003): Abbrand- und NOx-Simulation für Biomassefeuerungen, Bundesministerium für Verkehr, Innovation

und Technologie, Wien

(8) Zuberbühler, U. (2002): Dissertation - Maßnahmen zur feuerungsseitigen Emissionsminderung bei der Holzverbrennung in

gewerblichen Feuerungsanlagen, im Selbstverlag des Institutes für Verfahrenstechnik und Dampfkesselwesen der Universität

Stuttgart

(9) Zuberbühler, U., Baumbach, G. (2000): Beschreibung unterschiedlicher Techniken und deren Entwicklungspotentiale zur


Leistungsfähigkeit, Kosten und Energieverbrauch, Institut für Verfahrenstechnik und Dampfkesselwesen IVD, Universität

Stuttgart

(10) Betz, M., et al. (2002): Thermische Verwertung von Holzprodukten, Inputabhängige Modellierung der End-of-Life Prozesse

von Holz, PE-Europe GmbH Leinfelden-Echterdingen

(11) Strecker, M., et al. (2001): Verminderung der Emissionen von Stickstoffoxiden (NOx) und polychlorierten Dibenzo-p-dioxinen

und Dibenzofuranen (PCDD/PCDF) bei der energetischen Verwertung von Holzabfällen in einer Unterschubfeuerung durch

konstruktive und betriebliche Maßnahmen, Abschlussbericht über ein Forschungsprojekt des Vereins für technische

Holzfragen e. V., Braunschweig

4. Literaturverzeichnis


28

(12) Zuberbühler, U. (2002): Dissertation - Maßnahmen zur feuerungsseitigen Emissionsminderung bei der Holzverbrennung in

gewerblichen Feuerungsanlagen, im Selbstverlag des Institutes für Verfahrenstechnik und Dampfkesselwesen der

Universität Stuttgart

(13) Zuberbühler, U., Baumbach, G. (2000): Beschreibung unterschiedlicher Techniken und deren Entwicklungspotentiale zur


Leistungsfähigkeit, Kosten und Energieverbrauch, Institut für Verfahrenstechnik und Dampfkesselwesen IVD, Universität

Stuttgart

(14) Gaegauf, C. (2006): Flammlose Verbrennung zur NOX-Minderung: Konzept und Anwendung für automatische Holzfeuerung,

9. Holzenergie-Symposium, Feinstaubminderung und Stromerzeugung im Rahmen der zukünftigen Energieversorgung, ETH

Zürich

(15) Jansen, U. (2006): Bedeutung der Partikel- und Stickoxidemissionen aus Holzfeuerungen und Massnahmen zur

Luftreinhaltung, 6. Holzenergie-Symposium, Luftreinhaltung, Haus-Systeme und Stromerzeugung, ETH Zürich

(16) Hasler, P. et al. (2006): Praxiserhebung über Stickoxidemissionen automatischer Holzfeuerungen, 6. Holzenergie-

Symposium, Luftreinhaltung, Haus-Systeme und Stromerzeugung, ETH Zürich

(17) Salzmann, R. et al. (2006): Brennstoffstufung zur Stickoxidminderung in einer Unterschubfeuerung, 6. Holzenergie-

Symposium, Luftreinhaltung, Haus-Systeme und Stromerzeugung, ETH Zürich

(18) Betz, M., et al. (2002): Thermische Verwertung von Holzprodukten, Inputabhängige Modellierung der End-of-Life Prozesse

von Holz, PE-Europe GmbH Leinfelden-Echterdingen

(19) Strecker, M., et al. (2001): Verminderung der Emissionen von Stickstoffoxiden (NOx) und polychlorierten Dibenzo-p-dioxinen

und Dibenzofuranen (PCDD/PCDF) bei der energetischen Verwertung von Holzabfällen in einer Unterschubfeuerung durch

konstruktive und betriebliche Maßnahmen, Abschlussbericht über ein Forschungsprojekt des Vereins für technische

Holzfragen e. V., Braunschweig

(20) Stubenvoll, J., et al. (2007): Technische Maßnahmen zur Minderung der Staub- und NOx-Emissionen bei Wirbelschicht- und

Laugenverbrennungskesseln, Report 0039, Umweltbundesamt, Wien



29

(21) Hörzer, K. (2006): Dissertation – CFD-Analyse der Verbrennungsströmung einer zweistufigen holzstaubgefeuerten

Gasturbinenbrennkammer, TU Wien

(22) Ludewig, S. (2010): Dissertation – Prozessmodellgestützte Optimierung von Primärmaßnahmen zur NOx-Minderung in

Rostfeuerungen bei Einsatzstoffen mit unbekannter, zeitlich veränderlicher Zusammensetzung, TU Clausthal

(23) Wolf, C. (2005): Dissertation - Erstellung eines Modells der Verbrennung von Abfall auf Rostsystemen unter besonderer

Berücksichtigung der Vermischung – ein Beitrag zur Simulation von Abfallverbrennungsanlagen, Universität Duisburg-Essen

(24) Malek, C. (1993): Dissertation - Zur Bildung von Stickstoffoxid bei einer Staubfeuerung unter gleichzeitiger Berücksichtigung

des Ausbrandes, TU Clausthal

(25) Hein, D. et al. (2001): Auswahl eines Feuerungssystems für biogene Brennstoffe, in: VDI-Berichte 1588 (Thermische Nutzung

von fester Biomasse), Tagung Salzburg

(26) Wiedmann, U. (1997): Moderne stickoxidarme Holzstaubfeuerung, in: Moderne Feuerungstechnik zur energetischen

Verwertung von Holz und Holzabfällen, Hrsg. R. Marutzky, Fraunhofer-Institut für Holzforschung, Springer-VDI-Verlag ISBN

3-18-990028-0

(27) Hunsinger, H. et al. (2012): Primärmaßnahmen zur NOx-Minderung in Abfallverbrennungsanlagen, in: Energie aus Abfall, Bd.

9, ISBN 978-3-935317-78-8

(28) Richers, U. et al (2014): Erweiterte Überlegungen zur integrativen Vermeidung von Umweltauswirkungen am Beispiel der

Stickoxidemissionen aus Abfallverbrennungsanlagen, Report-Nr. KIT-SR 7680, Karlsruher Institut für Technologie (KIT),

Karlsruhe

(29) Nussbaumer, Th.: Primär- und Sekundärmassnahmen zur NO-Minderung in Biomassefeuerungen, VDI Berichte 1319, VDI-

Verlag Düsseldorf 1997, 141 - 166



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