Neues Verbrennungskonzept für weniger Schadstoffe im Heizkessel

Die technischen Einrichtungen des LEFS-Projekts: Das neue Konzept führt in drei Schritten zu einer emissionsarmen, effizienteren Verbrennung. (Foto: Dr. M. Aleysa/ IBP)
Die technischen Einrichtungen des LEFS-Projekts: Das neue Konzept führt in drei Schritten zu einer emissionsarmen, effizienteren Verbrennung. (Foto: Dr. M. Aleysa /IBP)
07.07.2017

Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik IBP entwickelten gemeinsam mit der HDG Bavaria GmbH ein neues Verbrennungskonzept für Vergaserkessel, das die Schadstoffemissionen verringert.

Im Rahmen des Projektes Low- Emission-Verbrennungssystem (LEVS) erprobten die Forscher um Dr.-Ing. Mohammad Aleysa erfolgreich einen Vergaserkessel, der nicht nur staub- und gasförmige Emissionen in Wohngebieten vermindert, sondern auch die Verbrennungseffizienz erhöht.

Kamine und Öfen sind zunehmend beliebt in deutschen Haushalten. Derzeit werden etwa 700.000 biomassebetriebene Heizkessel meist mit Scheithölzern, Pellets oder Holzhackschnitzeln befeuert. Problematisch ist bislang die Feinstaub- und Schadstoffbelastung in Wohngebieten, da marktübliche Heizkessel unvollständig und ungleichmäßig verbrennen. Spezielle Abgasbehandlungssysteme erfordern außerdem zusätzlichen Aufwand und Kosten, welche für Privathaushalte oft unattraktiv sind.

Emissionsarme und effizientere Verbrennung in allen Betriebsphasen

Mit dem neuen Verbrennungssystem können jetzt erstmals ohne Sekundärmaßnahmen, also ohne nachgeschaltete Systeme zur Abgasbehandlung, die zukünftigen emissionstechnischen Anforderungen der 1. Bundesimmissionsschutzverordnung (1, BImSchV) sowie der künftigen Ökodesign-Richtlinie 2009/125/EG eingehalten werden. Darüber hinaus soll LEVS auch die Verbrennungseffizienz dieser Kleinfeuerungsanlagen erhöhen.

Mohammad Aleysa am Fraunhofer IBP und die HDG Bavaria GmbH entwickelten drei zentrale neue Komponenten für ihr Low-Emission-Verbrennungssystem. Zum Ersten regelt LEVS die Zufuhr der Verbrennungsluft sowie die Abfuhr des Abgases im Gegensatz zu marktüblichen Modellen getrennt.

“Durch die Abscheidung der Verbrennungsaschen und -stäube wird eine schnelle Belegung des Wärmeübertragers mit Verbrennungsasche vermieden. So entsteht ein besserer Wärmeaustausch und somit ein hoher Kesselwirkungsgrad über eine längere Betriebszeit – ohne notwendige Kesselreinigung durch den Bediener. Das spielt eine große Rolle bei der Stabilisierung der Strömung im gesamten Heizkessel“, erläutert Aleysa.

LEVS Verbrennungskonzept: HDG Bavaria-Kessel
LEVS-Kessel: Eine Zyklonbrennkammer agiert zugleich als Brennkammer und als Feinstaubabscheider. (Grafik: HDG Bavaria)

Darüber hinaus agiert eine Zyklonbrennkammer zugleich als Brennkammer und als Feinstaubabscheider. Außerdem entwickelten die Forscher ein spezielles thermisches Nachverbrennungsverfahren, die sogenannte Einbautentechnik, das möglichst hohe Abscheide- und Reduktionsleistungen erzielt.

Aleysa betont: „Der Vorteil der Einbautentechnik besteht darin, dass sie die Aktivierungsenergie während der Verbrennung intensiv speichert und dann automatisch für die thermische Oxidation in ungünstigen Betriebsphasen bereitstellen kann.“

Die LEVS-Technik ermöglicht damit eine starke Verkürzung problematischer Betriebsphasen wie zum Beispiel der Anfahrbetriebsphase: Diese umfasst bei marktüblichen Kesseln ein Drittel der Abbrandzeit; bei LEVS reduziert sich diese Phase konstant auf ein bis zwei Prozent. Im Ergebnis entstehen unabhängig vom eingesetzten Brennstoff minimale Konzentrationen an Kohlenstoffmonoxid von kleiner als 20 mg/Vm3, an Gesamtkohlenwasserstoffe (gemessen als Propan CnHm) von kleiner als 2 mg/Vm3 und an Staub von kleiner als 5 mg/Vm3 über einer Abbrandzeit von mehr als 95 %.

Intelligente Regler für eine stabile Verbrennung

Aleysa beschreibt, wie LEVS das erreichen kann: “Im Gegensatz zu den marktüblichen Kesseln arbeitet LEVS mit intelligenten Reglern: Innerhalb von Millisekunden passen sich die Gebläse der Verbrennungsluftzufuhr an und stören somit nicht die Dynamik der Verbrennung. Mit LEVS haben wir sozusagen einen Reaktor gebaut, der unabhängig von der Verbrennungsluftzufuhr die Verbrennung gleichmäßig aufrechterhalten kann. Diese Verbesserung ist letztendlich entscheidend für die Emissionsminderung – und hat den großen Vorteil, dass sie ganz ohne Sekundärmaßnahmen funktioniert.“

LEVS geht jetzt in die Prüfungsphase. Der Projektpartner HDG Bavaria GmbH plant den sukzessiven Einsatz der neuen Verbrennungstechnik. Die Wissenschaftler des Fraunhofer IBP setzen nun auf die Weiterentwicklung des Low-Emission-Verbrennungssystems für automatisch beschickte Heizkessel. Ein Schwerpunkt ist die Anpassung der Technik für die Verbrennung von problematischen Brennstoffen wie z. B. Agrar- und Restbrennstoffe sowie Abfälle.

Die konkreten Ergebnisse aus dem Endbericht im Projektsteckbrief finden Sie hier.

Weitere Informationen:
Das Projekt „03KB093A LEVS – Low-Emission-Verbrennungssystem für die Verbrennung von festen Brennstoffen in Vergaserkesseln“ wurde im Rahmen des Programms „Energetische Biomassenutzung“ des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert.
Förderprogramm: www.energetische-biomassenutzung.de Projektsteckbrief: www.energetische-biomassenutzung.de/de/vorhaben/liste-aller-vorhaben/pro...
DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum / Silke Funke

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