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16. Fachkongress Holzenergie
2016 Augsburg
NOx-Minderung gemäß TA-Luft 2017 Rest- und Altholzheizkraftwerke - Machbarkeit, Sinn, Vergleich
Vortragender: Harry Wilhelm
06. Oktober 2016
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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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2. Einführung in das Thema 2.1 NOx – Definition, Entstehung und Gefahrenpotenzial
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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2. Einführung in das Thema 2.1 NOx – Definition, Entstehung und Gefahrenpotenzial
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)
7
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.
8
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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2. Einführung in das Thema 2.3 Vergleich NOx: PKW vs. Altholz-HKW in Deutschland
• 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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2. Einführung in das Thema 2.3 Vergleich NOx: PKW vs. Altholz-HKW in Deutschland
• 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
Gegenüberstellung der jährlichen
NOx-Emission und -Fracht
PKW Altholzheiz(kraft)werk
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
11
2. Einführung in das Thema 2.3 Vergleich NOx: PKW vs. Altholz-HKW in Deutschland
→ PKW: berechnete Mittelwerte
→ HKW: konservativer Ansatz
→ HKW:
jährliche Rauchgasvolumenstrom x
Emissionswert
→ PKW:
jährliche Fahrleistung x
Emissionswert
Gegenüberstellung der jährlichen
NOx-Emission und -Fracht
PKW Altholzheiz(kraft)werk
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
12
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*
13
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
14
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
15
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
16
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
20
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)
.
25
6. Systemvergleich für die Zukunft
kein Komponentenunterschied
kein Komponentenunterschied
kein Komponentenunterschied
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
kein Komponentenunterschied
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
26
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
Minderung von Stickstoffoxiden im Abgas von Abfallverbrennungsanlagen und Ersatzbrennstoff-Kraftwerken hinsichtlich
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
Minderung von Stickstoffoxiden im Abgas von Abfallverbrennungsanlagen und Ersatzbrennstoff-Kraftwerken hinsichtlich
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
4. Literaturverzeichnis
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
4. Literaturverzeichnis
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