Primäre und sekundäre Verbesserungen an einem ...¶lles/AFG2019_Präsentation... · Derzeit geringe Nutzung alternativer Brennstoffe (Kurzumtrieb, Mais, Stroh, etc.) in Biomasse-Kleinfeuerungen

Primäre und sekundäre Verbesserungen an einem Biomassekessel für Agrarbrennstoffe

C. Zemann, J. Kelz, D. Muschick,

S. Retschitzegger, M. Gölles

10. Fachgespräch Partikelabscheider in häuslichen Feuerungen,

TFZ Straubing, 20.03.2019

■ Derzeit geringe Nutzung alternativer Brennstoffe (Kurzumtrieb,

Mais, Stroh, etc.) in Biomasse-Kleinfeuerungen (< 500kW)

■ Erhöhte Anforderungen an das Verbrennungssystem

um schadstoffarme und effiziente Verbrennung zu erreichen

■ Höhere Aschegehalte

■ Niedrigere Energiedichten

■ Niedrigere Ascheschmelztemperaturen

■ …

■ Große Variationsbreite der Brennstoffeigenschaften

zwischen den verschiedenen Brennstoffen

Ausgangssituation und Problemstellung


10. Fachgespräch Partikelabscheider in häuslichen Feuerungen

Folie 2

CO-l-Charakteristik für unterschiedliche Brennstoffe und Leistungen



Folie 3

Kurzumtrieb (Pappel) Holzpellets

Variierende CO-Emissionen bei

variierenden Betriebsbedingungen / Brennstoffen

CO

in

mg

/Nm

³

600

500

400

300

200

100

0 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9

lgesamt

CO

in

mg

/Nm

³ 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9

lgesamt

600

500

400

300

200

100

0

hohe Leistung

mittlere Leistung

geringe Leistung

hohe Leistung

mittlere Leistung

geringe Leistung

Staubemissionen für unterschiedliche Primärluftverhältnisse



Folie 4

0

10

20

30

40

50

60

70

45 kW (0,5) 45 kW (0,7) 45 kW (0,85)

pa

rtik

elf

örm

ige

Em

iss

ion

en

[mg

/Nm

³]

Kurzumtrieb - Primärluftzahl

PM1 (ELPI) Gesamtstaub

λPVZ

Partikelförmige Emissionen hängen neben Brennstoffeigenschaften

auch wesentlich von Betriebsbedingungen ab (u.a. von λPVZ)

■ Grundsätzliche Möglichkeiten

■ Primärmaßnahmen

– Konstruktive Maßnahmen: Rost- und Feuerungsgeometrie, Ausführung der Luftzufuhr

– Regelungstechnische Maßnahmen: Adaptive Regelungskonzepte

■ Sekundärmaßnahmen

– Elektrofilter

– Katalysatoren

■ Forschungsprojekt – MoREIntegrALBiomass

■ Regelungstechnische Anforderungen und Möglichkeiten

■ Möglichkeiten zur Adaptierung / Integration bestehender Elektrofilter und Bewertung deren Abscheideeffizienz

Nutzung alternativer Brennstoffe / Erhöhung der Brennstoffflexibilität



Folie 5

■ Ausstattung einer grundsätzlich für Brennstoffflexibilität konzipierten Rostfeuerung mit umfassender Sensorik

■ Untersuchung des Emissionsverhaltens verschiedener Biomassebrennstoffe in Abhängigkeit des Betriebszustandes

■ Holzpellets, Kurzumtrieb (Pappel), Maisspindel, Stroh

■ Variation der Luftverhältnisse

– λPVZ: 0,5; 0,7; 0,85

– λges: 1,1 – 1,9

■ Unterschiedliche Leistungen

Grundsätzliche Vorgehensweise (1/2)



Folie 6

■ Entwicklung einer modellbasierten Regelung zur

■ gezielten Einhaltung der für schadstoffarme Verbrennung

erforderlichen Verbrennungsbedingungen

■ automatischen Anpassung an geänderte

Brennstoffeigenschaften

■ Konzeption eines modular integrierbaren Elektrofilters

■ Experimentelle Bewertung von Regelung und Elektrofilter

Grundsätzliche Vorgehensweise (2/2)



Folie 7

Modellbasierte Regelung – Grundlegende Struktur



Folie 8

CO-λ-Optimierung

Massenstrom

-regler

Leistungsregler

Biomasse-

feuerung

Sollwert für den

Restsauerstoffgehalt

des Rauchgases

Steuersignale für

Ventilatoren und

Stokerschnecke

Messwerte aus der

Biomassefeuerung Ermittelter Zustand der Biomasse-

feuerung und Brennstoffeigenschaften

λprimär - Regler

Sauerstoffregler

Sollwerte für die

Massenströme

an Primär- und

Sekundärluft

sowie Brennstoff

Zustands-

beobachter

und

Softsensoren

Modellbasierte Regelung – Beispielhaftes Ergebnis



Folie 9

Stationärer Betrieb bei 30 kW mit Maisspindel-Grits

O2 in

Vo

l.%

15

10

5 0 10 20 30 40 50 60

0 10 20 30 40 50 60

lP

VZ

2

1,5

1

0,5

Zeit in Minuten

MODELLBASIERTE REGELUNG

Messwert

Sollwert

Messwert

Sollwert

O2 in

Vo

l.%

0 10 20 30 40 50 60

15

10

5

0 10 20 30 40 50 60

2

1,5

1

0,5

lP

VZ

Zeit in Minuten

AKTUELLE REGELUNG

Messwert

Sollwert

Messwert

Sollwert

Modellbasierte Regelung – Beispielhaftes Ergebnis



Folie 10

Stationärer Betrieb bei 30 kW mit Maisspindel-Grits

O2 in

Vo

l.%

15

10

5 0 10 20 30 40 50 60

0 10 20 30 40 50 60

lP

VZ

2

1,5

1

0,5

Zeit in Minuten

MODELLBASIERTE REGELUNG

Messwert

Sollwert

Messwert

Sollwert

O2 in

Vo

l.%

0 10 20 30 40 50 60

15

10

5

0 10 20 30 40 50 60

2

1,5

1

0,5

lP

VZ

Zeit in Minuten

AKTUELLE REGELUNG

Messwert

Sollwert

Messwert

Sollwert

Der Einsatz der modellbasierten Regelung führt zu

verringerten Schwankungen des Sauerstoffgehalts

einer gezielten Einstellung des

Luftverhältnisses in der Primärverbrennungszone

Einsatz der modellbasierten Regelung führt grundsätzlich zu

verringerten Schwankungen aller geregelten Größen

stabilerem Betrieb bei allen Leistungen und bei Leistungswechseln

Ermöglicht eine gezielte Einstellung der optimalen Verbrennungs-

bedingungen (insbesondere Luftverhältnis in Primärverbrennungszone)

Reduziertes Risiko der Ascheschmelze

Verringerung von Schadstoffmissionen

Einsatz eines Zustandsbeobachters samt Soft-Sensoren zur Ermittlung

des Zustands der Biomassefeuerung und der Brennstoffeigenschaften

Nutzung dieses Wissens in der modellbasierten Regelung zur Anpassung

an wechselnde Brennstoffe Brennstoffflexibilisierung

Übergeordnete modulare CO-λ-Optimierung maximiert Wirkungsgrad

bei gleichzeitiger Verringerung der Schadstoffemissionen

Modellbasierte Regelung – Zusammenfassung



Folie 11

Modular integrierbarer Elektrofilter –Experimentelle Bewertung



Folie 12

PR

FID

RGA

RGT

dp

FRT

P

DL

T

BMF

T

DGI

GMZST

ELPITMTM

T p

NILMS

EF

GMZ

BMF Biomassefeuerung

EF Elektrofilter

NILMS nicht-invasives Luftmassenmesssystem

FRT Feuerraumtemperatur

P Leistung

RGT Rauchgastemperatur

ST Gesamtstaubmessung

RGA Rauchgasanalyse

dp Differenzdruckmessung

DL Druckluft

GMZ Gasmengenzähler

DGI Dekati Gravimetric Impactor

ELPI Elektrischer Niederdruck-Kaskadenimpaktor

TM turbulenter Mischer

T Temperaturmessung

Modular integrierbarer Elektrofilter – Beispielhaftes Ergebnisse (1/2)



Folie 13

0

200

400

600

800

1.000

1.200

1.400

1.600

1.800

2.000

0

3

6

9

12

15

18

21

08:30 09:00 09:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30

CO

-un

d N

Ox

-Ge

ha

lt

O2

un

d C

O2

-Ge

ha

lt

O2-Gehalt RG [Vol% RG tr] CO2-Gehalt RG [Vol% RG tr] CO-Gehalt RG [mg/Nm³] NOx-Gehalt RG (als NO2 gerechnet) [mg/Nm³]

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0

10

20

30

40

50

60

70

08:30 09:00 09:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30

RG

-u

nd

Ne

tzte

mp

era

ture

n

Ke

ss

ell

eis

tun

g

Kesselleistung [kW] T VL [°C] T RL [°C] T RG [°C]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

08:30 09:00 09:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30PM

1 -

un

d S

tau

be

mis

sio

ne

n

PM1-Gehalt (ELPI) [mg/Nm³] PM1-Gehalt (DGI) [mg/Nm³] Gesamtstaub [mg/Nm³]

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

08:30 09:00 09:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30

Lu

ftve

rhä

ltn

iss

e

Gesamtluftverhältnis [-] Primärluftverhältnis [-]

E-Filter inaktiv E-Filter aktiv

E-Filter inaktiv E-Filter aktiv

Stationärer Betrieb bei 45kW mit Pappel (Hackgut)

Modular integrierbarer Elektrofilter – Beispielhaftes Ergebnisse (2/2)



Folie 14

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

0

50

100

150

200

250

mit E-Filter ohne E-Filter mit E-Filter ohne E-Filter mit E-Filter ohne E-Filter

NL TL SL

Luft

verh

ältn

isse

Par

tike

lfö

rmig

e E

mis

sio

ne

n m

g/N

m³

Maisspindel-Grids

Gesamtstaub

Feinstaub (PM1)

Primärluftverhältnis

Gesamtluftverhältnis

Abscheidegrade bei Maisspindel-Grits in Abh. d. Leistung

■ Konzeption und Integration des Elektrofilters

■ Adaptierung marktverfügbarer Technologie war möglich

■ Positionierung nach Wärmeüberträger begünstigt modulare Bauweise

■ Experimentelle Bewertung

■ Umfassende Testläufe mit begleitenden Emissionsmessungen

sowie Brennstoff, Staub- und Ascheanalysen

■ Zufriedenstellende Abscheidegrade für alle untersuchten

– Brennstoffe

– Anlagenleistungen

■ Langzeitbewertung über mehrere Jahre Betrieb ist noch ausständig

Modular integrierbarer Elektrofilter – Zusammenfassung



Folie 15

Forschungsprojekt zur Erhöhung der Brennstoffflexibilität kontinuierlich beschickter Biomassefeuerungen in Richtung alternativer Brennstoffe

■ Untersuchung des Emissionsverhaltens in Abhängigkeit des Betriebszustandes untermauert Wichtigkeit

■ der Sicherstellung optimaler Verbrennungsbedingungen ■ der Verwendung geeigneter Sekundärtechnologien

■ Entwickelte modellbasierte Regelung ermöglicht

■ gezielte Einhaltung optimaler Verbrennungsbedingungen

■ automatische Anpassung an geänderte Brennstoffeigenschaften

■ Modular integrierbarer Elektrofilter

■ Fokus auf alternative Biomassebrennstoffe

■ Marktverfügbare Elektrofiltertechnologie konnte adaptiert werden

■ Bewertung zeigte zufriedenstellende Abscheidegrade für alle untersuchten Brennstoffe und Anlagenleistungen

Zusammenfassung und Ausblick (1/2)



Folie 16

Erforderliche Arbeiten zur praktischen Nutzung

der erarbeiteten Ergebnisse

■ Überführung der entwickelten modellbasierten Regelung in die Serie

■ Untersuchung des Langzeitverhaltens des Elektrofilters

■ Untersuchung der gezielten Optimierung der Abscheideraten des

Elektrofilters für spezifische alternative Biomassebrennstoffe

(Fokus des Projektes lag auf Brennstoffflexibilität)

Zusammenfassung und Ausblick (1/2)



Folie 17

Danke für die Aufmerksamkeit!

Dr. Markus Gölles

Inffeldgasse 21b, 8010 Graz, Austria

0043-316-873-9208

[email protected]

www.bioenergy2020.eu

Weitere Informationen:

https://www.bioenergy2020.eu/de/kompetenzbereiche/anlagenregelungstechnik/projekte/view/420

Dieses Projekt wurde aus Mitteln des Klima - und

Energiefonds gefördert und im Rahmen des

Energieforschungsprogramms 2014 durchgeführt.

mailto:[email protected]

https://www.bioenergy2020.eu/de/kompetenzbereiche/anlagenregelungstechnik/projekte/view/420

Documents

Primäre und sekundäre Verbesserungen an einem ...¶lles/AFG2019_Präsentation... · Derzeit geringe Nutzung alternativer Brennstoffe (Kurzumtrieb, Mais, Stroh, etc.) in Biomasse-Kleinfeuerungen