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Verbrennung von Getreidekorn in kleinen Feuerungsanlagen

Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft

Dipl.-Ing. Th. Hering, 05.03.2007

Messe Leipzig

TerraTec / enertec 2007

A Inhalte der Untersuchungen

B Ergebnisse der Brennstoffuntersuchungen

C Rechtliche Rahmenbedingungen

D Ergebnisse der Emissionsuntersuchungen

E Perspektiven

Inhaltsverzeichnis

Einleitung

Dipl.-Ing. Th. Hering Stand der Getreideverbrennung

2

Untersuchungen an verschiedenen Stroh- und Getreide-feuerungsanlagen < 3,15 MW th

3. „Prüfung d. Gebrauchstauglichkeit von Non-Food Getreide und dessen Eignung für die thermische Verwertung (2001) (ILK)

4. „Energetische Verwertung von Getreide und Halmgutpellets“ (2002 – 2005) (TLL / TLUG / IE - 5 Anlagen)

1. „Untersuchungen zum Einfluß der Brennstoffart und ~qualität auf die Zusammensetzung der Reststoffe und deren Verwertung am Strohheizwerk Schkölen zur Sicherung der Umweltverträglichkeit“ (1993 – 1996) (TLL/TLU - 1 Anlage) 2. „Voraussetzungen zur Standardisierung von biogenenFestbrennstoffen“ (1998 – 2002) (TLL/TLU - 3 Anlagen)


5. „Untersuchungen zum Emissionsverhalten getreide- und halmguttauglicher Feuerungsanlagen (2004 – 2007) (TLL / TLUG / ILK - 5 Anlagen + Filtertechnik)

Koordination

F&E

Feldtests

Koordination FNR/TLL

weitere FelduntersuchungenTLL/TLUG/ILK (5 Anlagen) FH Köln (5 Anlagen), DEULA (1), FBZ (1) Zwischenergebnisse !

FuE-Vorhabenprimäre/sekundäre EmissionsminderungenILK DresdenTLL Dornburg

FBZ e.V. Merseburg

TFZ Straubing

DEULA SH

FH Köln

FNR Gülzow

FH Bingen

ATZ Sulzbach Rosenberg

IVD Stuttgart

WKI Braunschweig

TU Hamburg-Harburg

Paul Künzel GmbH Prisdorf

FH Amberg-Weiden

Grimm GmbH Amberg


3

Europäische Anbieter von Heizanlagen für Getreide ( < 100 kWth)


Europäische Anbieter von Heizanlagen für Getreide ( < 100 kWth)


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E Perspektiven

Inhaltsverzeichnis

Einleitung


Kontinuierliche Messung von:

O2, CO, CO2, SOx, NOx, N2O, Ges-C

Diskontinuierliche Messung von:

Staub, Feinstaub

PCDD/F, PAK, HCl

Benzol Dipl.-Ing. Th. Hering Stand der Getreideverbrennung

5





E Perspektiven

Inhaltsverzeichnis

Einleitung


Chemisch-stoffliche Brennstoffeigenschaften z.B.• Stickstoff ⇒ NOx-Emissionen• Schwefel ⇒ SOx-Emissionen, Korrosion• Chlor ⇒ HCl-,PCDD/F-Emissionen, Korrosion• Kalium ⇒ Ascheschmelzverhalten, Korrosion• Natrium ⇒ Ascheschmelzverhalten, Korrosion• Calzium ⇒ Ascheschmelzverhalten

Physikalisch-mechanische Brennstoffeigenschaften z.B.• Schüttdichte ⇒ Transport, Lagerdichte• Wassergehalt ⇒ Lagerung, Heizwert, Ausbrand• Aschegehalt ⇒ Auslegung Austragsystem, Staubemission• Spelzanteil ⇒ Schüttdichte , Zündverhalten,

Ascheschmelzverhalten



6

Brennstoffeigenschaften - Vergleich Rohaschegehalte

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

16,0

Roh

asch

egeh

alt

[% d

. TM

]

MAX 2,0 1,9 3,0 2 , 1 4,9 4 , 8 8,4 12,8 9,3 10,9 12,0 7,6 4 , 5 1,2 2,2

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

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

n = 25 n = 23 n = 25 n = 15 n = 5 n = 14 n = 52 n = 55 n = 51 n = 46 n = 47 n = 42 n = 288 n = 12 n = 51

Wi - Roggen

Wi - Weizen

Wi - Gerste

Wi - Triticale

Hafer Wi - Raps

Wi - Roggen (Avanti)

Wi - Weizen (Batis)

Wi - Gerste

(Theresa)

Hafer (Flämlings-

lord)

Wi - Raps (Express)

Triticale - GP

Pappel Laubholz Nadelholz

Körner HolzStroh

Gan

zpfl

anze


Brennstoffeigenschaften - Vergleich Stickstoff

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

Sti

ckst

off

geh

alt

[% d

. TM

]

MAX 1,97 2,59 2,22 2,18 2,27 3,85 1,13 0,93 1,27 1,13 1,49 1,42 1,22 2,66 0,28

MIN 1,51 2,10 1,59 1,66 1,54 3,21 0 , 3 3 0,28 0 , 2 9 0,22 0,42 0,38 0,19 0,11 0 , 0 7

MW 1,72 2,36 1,96 1,91 1,87 3,51 0,59 0,58 0 , 6 3 0,53 0,76 1,06 0,56 0,49 0,14


Wi - Roggen

Wi - Weizen

Wi - Gerste

Wi - Triticale

Hafer Wi - Raps


Wi - Weizen (Batis)

Wi - Gerste

(Theresa)

Hafer (Flämlings-

lord)

Wi - Raps (Express)

Triticale - GP


Körner HolzStroh

Gan

zpfl

anze


7

Brennstoffeigenschaften - Vergleich Chlor

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

2,00

Ch

lorg

ehal

t [%

d. T

M]

MAX 0,09 0,10 0,18 0,07 0,12 0,07 0,73 0,67 1,56 1,69 1,83 0,53 0,11 0,07 0,02

MIN 0,03 0,07 0,08 0,03 0,05 0,02 0,03 0,02 0,03 0,06 0,06 0,01 0,00 0,01 0,00

MW 0,07 0,08 0,13 0,05 0,10 0,04 0,24 0,23 0,43 0,64 0,58 0,16 0,02 0,02 0,01


Wi - Roggen

Wi - Weizen

Wi - Gerste

Wi - Triticale

Hafer Wi - Raps


Wi - Weizen (Batis)

Wi - Gerste

(Theresa)

Hafer (Flämlings-

lo rd)

Wi - Raps (Express)

Triticale - GP


Körner HolzStroh

Gan

zpfl

anze


Brennstoffcharakteristik Vergleich Ascheschmelzverhalten

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

Sintertemperatur Erweichungstemperatur Sphärischtemperatur Halbkugelpunkt Fließtemperatur

Tem

per

atu

r [°

C]

Nacktgetreide Spelzgetreide Triticale-GP

Getreidestroh Miscanthus Waldholz


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E Perspektiven

Inhaltsverzeichnis

Einleitung


Einsatz von Getreide bzw. Ganzpflanzen in Anlagen der 4.BImSchV möglich !!!

ab 100 kW nach Ziffer 1.3 d. Anhanges der 4. BImSchV jedoch genehmigungsbedürftig

• Vereinfachtes Verfahren bis 1 MWth nach § 19 BImSchG

• Förmliches Verfahren ab 1 MWth nach § 10 BImSchG

C Rechtliche RahmenbedingungenRelevante Emissionsgrenzwerte beim Einsatz von festen Bioenergieträgern (nach 4. BImSchV [TA-Luft] bzw. 1. BImSchV)

Anlagen < 100 kW im Geltungsbereich der 1. BImSchV

Getreide noch kein Regelbrennstoff – Aufnahme mit der Novellierung geplant – Anforderungen unklar !Zusätzlich können weitere Grenzwerte aus den allgemeinen Anforderungen der TA-Luft herangezogen werden. Dies betrifft neben bestimmten Staubinhaltsstoffen auch weitere organische und anorganische Komponenten u.a. HCl, PCDD/F

Anlagengröße relevante Bezugs-Vorschrift sauerstoff CO Staub Ges.-C NOx S O2

Vol. % g/m3n mg/m3

n mg/m 3n mg/m3

n g/m3n

< 15 kW 15 - 50 kW 1.BImSchV 13 4 150 - - -

50 - 150 kW 1.BImSchV 13 2 150 - - -150 - 500 kW 1.BImSchV 13 1 150 - - -

500 - 1000 kW 1.BImSchV 13 0,5 150 - - - 1 - 2,5 MW TA-Luft 11 0,15 100 10 250 2,0 2,5 - 5 MW TA-Luft 11 0,15 50 10 250 2,0 5 - 50 MW TA-Luft 11 0,15 20 10 250 2,0

< 15 kW 15 - 100 kW 1.BImSchV 13 4 150 - - -

100 - 1000 kW TA-Luft 11 0,25 50 50 500 2,0 1 - 50 MW TA-Luft 11 0,25 20 50 400 2,0

Emissionsgrenzwerte

Emissionsgrenzwerte bei der Verfeuerung von unbehandeltem Holz

Besondere Regelung beim Einsatz von Stroh und ähnlichem pflanzlichen Materialkein Einsatz von Halmgut erlaubt

keine Emissionsbeschränkungen


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in sonstigen Fällen 15 bis 50 kW: Staub 20 mg/m³

CO 1,0 g/m³ über 50-100 kW: Staub 20 mg/m³

CO 0,5 g/m³

Baden-Württemberg:• nur bauartgeprüfte Anlagen von 15-100kW

• Anlagen auf Prüfstand (13 % O2) NOx < 500 mg/m³ und Staub 75 mg/m³ 15 bis 50 kW: CO 0,5 g/m³ über 50-100 kW: CO 0,25 g/m³

• Anlagen in Praxis (13 % O2)

• in Betrieben der Land- und Forstwirtschaft, Gartenbau sowie agrargewerblichen Sektor

15 bis 50 kW: Staub 100 mg/m³ CO 1,0 g/m³

über 50-100 kW: Staub 75 mg/m³ CO 0,5 g/m³

Bayern & Thüringen:• nur Getreide von Flächen auf welchen mind. 1 Jahr kein chlorhaltiger Mineraldünger eingesetzt wurde

• Anlagen auf Prüfstand (13 % O2) NOx < 500 mg/m³ und Staub 75 mg/m³

• Anlagen in Praxis (13 % O2)

• nur in Betrieben der Land- und Forstwirtschaft, Gartenbau sowie agrargewerblichen Sektor

bis 50 kW: Staub 100 mg/m³ CO 1,0 g/m³

über 50-100 kW: Staub 75 mg/m³ CO 0,5 g/m³

Kein Einsatz von Getreide bzw. Ganzpflanzen in Anlagen der 1.BImSchV möglich Ausnahmen nach § 20 1. BImSchV bislang:


• nur in Betrieben der Landwirtschaft, Gartenbau sowie Getreidehandel und ~mühlen inkl. zugehöriger Wohnstätten

• Einsatz von Getreideganzpflanzen und Getreide (N: 1,5/2,5; Cl: 0,4/0,2)

• minderwertiges sowie nicht backfähiges Getreide, welche nicht als Nahrungsmittel verwendbar sind

Ausnahmen nach § 20 1. BImSchV - Sachsen (SMUL): :

• nur bauartgeprüfte Anlagen von 15-100 kW

• Anlagen auf Prüfstand (13 % O2 und in Anlehnung an DIN EN 303 Teil 5)

• NOx < 800 mg/m³, sowie Dioxine/Furane 0,1 ng/m³ - Bescheinigung Kesselhersteller

• Anlagen in Praxis (13 % O2) 15 bis 100 kW: Staub 75 mg/m³; CO 0,5 g/m³

• § 6 Absatz 3 der 1. BImSchV ist anzuwenden (handbeschickten Betrieb – Volllast – Pufferspeicher bzw. Emissionswerte bei Teillast)

• Überwachung nach §§ 14 und 15

Ausnahmeregelungen gelten unter Vorbehalt - Novellierung der 1. BImSchV !


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E Perspektiven

Inhaltsverzeichnis

Einleitung


Kohlenmonoxid-Emissionen - Vergleich Referenzbrennstoffe

Zwischenergebnisse der aktuellen Felduntersuchungen (Deula, FH Köln, FBZ, TLL)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

CO

[mg/

Nm

³, tr

.; 13

% O

2 ; 1

5 m

in M

W]

MAX 962 4 1227 141 200

MIN 42 1 223 5 100

MW 215 2 510 35 133

TLL FH Köln FH Köln FBZ DEULA

n = 46 n = 6 n = 5 n = 137 n = 6

C 4(1. BImSchV)

AWK 45 SI(TA Luft)

Winterweizen Korn (RB)

HKRST 30(TA Luft)

HKRST 100(1. BImSchV)

Agro 40(1. BImSchV)

EPP UBA


§ 20 1. BImSchV

11

Staub-Emissionen - Vergleich Referenzbrennstoffe

0

50

100

150

200

250

300

350

400

Sta

ub

[mg/

Nm

³, tr

.; 13

% O

2; 15

min

MW

]

MAX 232 94 171 132 240

MIN 175 5 73 102 120

MW 199 29 120 115 198

TLL FH Köln FH Köln FBZ DEULA

n = 4 n = 6 n = 5 n = 3 n = 6

C 4(1. BImSchV)

AWK 45 SI(TA Luft)

Winterweizen Korn (RB)

HKRST 30(TA Luft)

HKRST 100(1. BImSchV)

Agro 40(1. BImSchV)

EPP UBA 1. Stufe

EPP UBA 2. Stufe


§ 20 1. BImSchV

Wirtschaftlichkeit

Wirtschaftlichkeitsvergleich von 25 kW th Anlagen (o.MWSt.)

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

Erdga

s 5,7 C

t/kWh

Kos

ten

in C

ent/k

Wh

Kapitalkosten Cent/kWh Betriebsgebundene Kosten Cent/kWh Brennstoffkosten Cent/kWh


12

Wirtschaftlichkeit

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

Heizöl 55 ct/l Industrie-Holzhackschnitzel 50

€/tTS

Wald-Holzhackschnitzel 90

€/tTS

Industrie-Holzpellets120 €/tTS

DIN-Holzpellets 195€/tTS

Strohballen 65 €/tTSm.F.

Getreide 110€/tTSk.T.; m. F.

Kos

ten

in C

ent/k

Wh

Kapitalkosten Cent/kWh Betriebsgebundene Kosten Cent/kWh Brennstoffkosten Cent/kWh

Kostenkalkulation für 500 kWt h Anlagen ohne bauliche Einrichtungen frei Heizwerk

Wirtschaftlichkeitsvergleich von 500 kW th Anlagen (o.MWSt.)






E Perspektiven

Inhaltsverzeichnis

Einleitung


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E Perspektiven - weitere Entwicklungen

1. Optimierung bzw. Weiterentwicklung von konventionellen Feuerungssystemen

Fa. Heizomat


2. Entwicklung von neuen Feuerungssystemen (Forschung)

Wassergekühlter Vorofen



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3. Entwicklung von Abscheidetechnologien – Brennwerttechnik



4. Entwicklung von Abscheidetechnologien – elektrostatische Abscheider (Praxisreife Prototypen)

EMPA, Zürich

Bioenergie-Technik, Starnberg

ILK, Dresden; TLL Jena



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5. Entwicklung von Abscheidetechnologien– Forschung

ALPHA-Filter Schüttschichtfilter

Ausziehbare Metallschublade

Schüttschicht

Schwenkbares Lochblech

Rauchgas aus Kessel

Gereinigtes Abgas zum Kamin

Schubladengriff

Schwenkhebel



6. Entwicklung von neuen Feuerungssystemen (Forschung)

Entwicklung einer Low-NOx-Feuerung zur Verbrennung von Getreide und Halmgütern nach dem FLOX-PrinzipQuelle: Fachhochschule Bingen



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7. Erprobung innovativer Brennstoffe, Feuerungsysteme und Abscheidetechniken

größte Getreidefeuerungsanlage DeutschlandsTLL – TZNR Dornburg bei Jena



Weitere Informationen unter

www.tll.de/nawaro bzw.

[email protected]

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