Maßnahmen zur feuerungsseitigen Emissionsminderung bei der Holzverbrennung in gewerblichen Feuerungsanlagen

Abstract

Gegenwärtig werden in gewerblichen Holzfeuerungsanlagen beim Verbrennen von naturbelassenem Holz NOx-Werte < 200 mg/m³ und Partikelkonzentrationen < 50 mg/m³ erreicht. Mit Brennstoffen aus der Holzwerkstoffbearbeitung, wie sie insbesondere in holzbe- und -verarbeitenden Betrieben anfallen, können die NOx-Konzentrationen bis zu 1000 mg/m³ und die Partikelkonzentrationen bis zu 500 mg/m³ erreichen. In dieser Arbeit wurde ein neues Feuerungskonzept zur Verbesserung des Partikelausbrandes und der gleichzeitigen feuerungsseitigen NOx-Minderung entwickelt und getestet. Ausgehend vom Stand der Technik, einer modernen geregelten Unterschubfeuerung, wurde zunächst durch einen räumlich geteilten Feuerraum eine gestufte Verbrennung realisiert. Die Ausbrandzone dieser zweistufigen Feuerung wurde dabei so gestaltet, dass sie aufgrund der dortigen Strömungsführung gleichzeitig als Partikelabscheider wirkt. D.h. grobe Partikel werden im heißen Teil des Feuerraumes abgeschieden und können dort ausgebrannt werden. In einem weiteren Schritt wurde der Primärteil des Feuerraumes durch Vergrößerung und Gasrückführung dahingehend umgestaltet, dass die notwendigen Bedingungen zur feuerungsseitigen NOx-Minderung erfüllt wurden. Beim Test des entwickelten Feuerungskonzeptes wurde im kontinuierlichen Lastbetrieb mit beschichteten Spanplatten (N-Gehalt 4,3 %) eine mittlere NOx-Konzentration von ca. 450 mg/m³ gemessen, was gegenüber einer konventionellen Unterschubfeuerung eine NOx-Minderung um ca. 40 % darstellt. Die mittlere CO-Konzentration betrug 30 mg/m³ und die Partikelkonzentrationen lagen ohne nachgeschalteten Staubabscheider deutlich unter 50 mg/m³. Grundsätzlich können durch feuerungsseitige Maßnahmen die Emissionen bei der Verbrennung, besonders bei schwierigen Brennstoffen, gegenüber konventioneller Technik deutlich vermindert werden. Die Wirksamkeit feuerungsseitiger Maßnahmen hängt entscheidend von den dafür notwendigen Bedingungen im Feuerraum ab, woraus sich erhöhte Anforderungen an Mess- und Regeltechnik der Feuerung, aber auch an die Homogenität des Brennstoffes ergeben. Die mathematische Simulation der Verbrennungsvorgänge im Primär- und Sekundärteil des Feuerraumes lieferte ein komplexes Bild über die charakteristischen Größen, wie z.B. Temperatur, Luftzahl, Verweilzeit und Konzentrationen an jedem Ort des Feuerraumes. Dadurch wird es zukünftig möglich, Feuerraumgeometrien und Einstellungen, wie z.B. Brennstoff- und Luftmengen sowie die Luftverteilung, so zu optimieren, dass eine maximale feuerungsseitige Emissionsminderung erzielt werden kann.

The combustion of natural wood chips in current automatic firing systems leads to emissions of NOx < 200 mg/m³ and Particulate Matter (PM) < 50 mg/m³. During the combustion of chipboard residues NOx emissions can reach 1000 mg/m³ and PM 500 mg/m³, as they accrue particularly at furniture industry and carpenters. To achieve better particle burnout and lower NOx concentrations a new firing concept has been developed and tested. State of the art in the area of commercial wood firings was the temperature controlled underfeed firing. Based on this firing type, a stage combustion was realized by a separation of the furnace in primary and secondary combustion chamber. Within the first step of development the burnout zone was optimised to improve particle burnout with simultaneous particle separation. Secondary air supply was made with a special fan to produce a swirl flow inside the cylindrical combustion chamber. Similar as in a cyclone particles were carried in a reverse flow to the furnace wall where is sufficient time for burnout. The good mixing performance of air and combustion gases is another benefit of the produced swirl flow. The aim of further development was to achieve the necessary conditions for primary NOx reduction with a new design of the primary zone of the furnace. Therefore hot gas from the end of combustion chamber or exhaust gas was recirculated to reduce the amount of primary air. The new primary zone of the combustion chamber was combined with the well working burnout zone with integrated particle separation. The combustion behaviour of this combined furnace was investigated and optimised on a test stand. During continuous combustion of coated chipboards (fuel N-content 4,3 %) NOx concentrations of 450 mg/m³ were measured, which correspond to a 40 % reduction in comparison with a common underfed firing. CO con-centrations of 30 mg/m³ were on a very low level and particle concentrations were lower than 50 mg/m³ without additional precipitation. The test results showed that primary emission reduction depends strictly on the combustion conditions in the furnace. That requires high standards on measuring and control technology as well as on homogeneity of the fuel. Numerical simulations of the combustion process in the primary and secondary part of the furnace were used to provide a complex view of important parameters as temperature, residence time, velocity and oxygen concentration at any position in the furnace. The results showed that numerical simulation is a powerful instrument for furnace design and construction. Further numerical simulation enable the optimisation of combustion parameter setting to achieve maximal primary emission reduction.