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'content_de' => '<p>In heutigen Biomassefeuerungen bleiben problematische Biomassebrennstoffe wie halmgutartige Brennstoffe (z.B. Stroh), Altholz, Energiegräser sowie Reste aus der landwirtschaftlichen Industrie (Kerne, Schalen etc.) in vielen Fällen ungenutzt oder können nur in mittelgroßen und großen Feuerungsanlagen eingesetzt werden. Zwar weisen die im Leistungsbereich von 50-1000 kW eingesetzten automatisch beschickten Kessel generell einen sehr hohen konstruktiven Entwicklungsstand auf und unterscheiden sich dadurch feuerungstechnologisch nur kaum. Dennoch kann das volle Potential für niedrige Emissionen, gesteigerte Anlageneffizienz und der Möglichkeit, alternative Brennstoffe einzusetzen, noch bei weitem nicht ausgeschöpft werden. Dies liegt im Bereich der Primärmaßnahmen vor allem daran, dass mit den verwendeten Regelungen und der eingesetzten Sensorik aus Sicherheitsgründen sehr konservative Parametrierungen für die Regelung des Luftüberschusses, welcher sich direkt auf Emissionsverhalten und Effizienz auswirkt, eingesetzt werden. Im Bereich der Sekundärmaßnahmen gibt es noch keine weitverbreiteten und insbesondere kostengünstigen Maßnahmen, um Emissionen, insbesondere die bei der Biomasseverbrennung zu Recht kritisierten PM-Emissionen, zu reduzieren.</p>
<p>Im Zuge dieses Projektes wurden die Grundlagen zur Entwicklung einer Biomassefeuerung, die sich der zuvor genannten Problemstellungen annimmt, geschaffen. Im Bereich der Primärmaßnahmen wird durch den Einsatz innovativer modellbasierter Regelungsstrategien, in Verbindung mit neuartiger CO-λ-Sensorik, neben einer Steigerung der Anlageneffizienz und Reduktion von Emissionen die Möglichkeit zum Einsatz alternativer Biomassebrennstoffe geschaffen. Als Sekundärmaßnahme wurde eine kostengünstige und effiziente Möglichkeit zur PM-Abscheidung in Form einer Integration eines elektrostatischen Abscheiders in die Feuerungsanlage untersucht.</p>
<p>Die Untersuchungen erfolgten an einer eigens dafür mit spezieller Sensorik und einem Laborelektrofilter ausgerüsteten Versuchsanlage. Es wurden durch Experimente verifizierte mathematische Modelle der Abbrand- und Anlagencharakteristik entworfen und darauf aufbauend verschiedene modellbasierte Regelungskonzepte erarbeitet und in Simulationen validiert. Nach der Implementierung eines Regelungsansatzes an der Versuchsanlage wurden die für die Integration eines Elektrofilters relevanten Fragestellungen wie Abscheide- und Ionisationsverhalten experimentell untersucht und das Zusammenspiel aus Elektrofilter und modellbasierter Regelung in Langzeitversuchen analysiert und optimiert.</p>
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<p>In the course of this project, the foundations for the development of a biomass furnace that addresses the aforementioned problems were laid. In the area of primary measures, the use of innovative model-based control strategies, in conjunction with innovative CO-λ sensors, will increase plant efficiency and reduce emissions, while also enabling the use of alternative biomass fuels. As a secondary measure, a cost-effective and efficient option for PM separation in the form of the integration of an electrostatic precipitator into the combustion plant was investigated.</p>
<p>The investigations were carried out in a test plant specially equipped with special sensors and a laboratory electrostatic precipitator. Mathematical models of the combustion and plant characteristics, verified by experiments, were designed and on this basis various model-based control concepts were developed and validated in simulations. After the implementation of a control approach at the pilot plant, the questions relevant for the integration of an electrostatic precipitator such as separation and ionization behavior were investigated experimentally and the interaction between electrostatic precipitator and model-based control was analyzed and optimized in long-term experiments.</p>
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<p>Dieses Projekt wird aus Mitteln des Klima-und Energiefonds gefördert und im Rahmen des Energieforschungsprogramms 2014 durchgeführt</p>
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'abstract' => '<p>ie Biomasseverbrennung spielt eine zentrale Rolle bei der Bereitstellung von Wärme aus erneuerbaren Energieträgern. Konventionelle Biomasse-Brennstoffe werden jedoch aufgrund einer steigenden Anzahl stofflicher Verwertungsmöglichkeiten, wie z.B. der Umwandlung in Chemikalien, teurer und schwieriger zugänglich. Agrarbrennstoffe, die bisher nur selten oder gar nicht in Biomasse-Kleinfeuerungen eingesetzt wurden, stellen eine vielversprechende Alternative zu konventionellen Brennstoffen dar. Diese Agrarbrennstoffe, wie zum Beispiel Kurzumtrieb, Maisspindeln oder Stroh sind kostengünstig und in ausreichender Menge vorhanden. Der Einsatz von Agrarbrennstoffen in konventionellen Biomasse-Kleinfeuerungen ist jedoch aufgrund stark variierender Brennstoffeigenschaften mit erhöhten Anforderungen an das Verbrennungssystem verbunden. Erhöhte N, S, Cl, Alkalimetall- und Aschegehalte sowie niedrigere Aschenschmelzpunkte können zu aschebedingten Problemen (Ascheschmelze, Ascheablagerung und Korrosion) sowie erhöhten Konzentrationen von gasförmigen (CO, NOx, HCl und SOx) und partikelförmigen Emissionen bei der Verbrennung führen.</p>
<p>Ziel der in diesem Beitrag präsentierten Arbeiten war die Erhöhung die Brennstoffflexibilität einer handelsüblichen Biomasse-Kleinfeuerung um damit eine Verbrennung von Agrarbrennstoffen mit niedrigen Schadstoffemissionen und einem hohen Wirkungsgrad zu ermöglichen. Hierzu wurde eine modellbasierte Regelung entwickelt, welche insbesondere eine gezielte Einstellung des Luftverhältnisses in der Primärverbrennungszone ermöglicht und damit das Risiko der Ascheschmelze reduziert und Schadstoffmissionen verringert. Soft-Sensoren bestimmen relevante Brennstoffeigenschaften während des Betriebs, welche von der modellbasierten Regelung zur automatischen Anpassung an geänderte Brennstoffeigenschaften genutzt werden. Die modellbasierte Regelung wurde um eine CO-lambda-Optimierung ergänzt, welche auf Basis von Messwerten des Restsauerstoffgehalts und der CO-Emissionen den Wirkungsgrad der Verbrennung maximiert und gleichzeitig die Schadstoffemissionen verringert. Zur weiteren Verringerung von partikelförmigen Schadstoffemissionen wurde ein am Markt verfügbarer Elektrofilter adaptiert und nach dem Wärmeübertrager der Biomasse-Kleinfeuerung angebracht.</p>
<p>Dieses Verbrennungssystem wurde durch umfassende Testläufe mit begleitenden Emissionsmessungen sowie Brennstoff-, Staub- und Ascheanalysen bewertet. Der Einsatz der modellbasierten Regelung führte zu einem stabileren Betrieb bei allen Leistungen und für alle Brennstoffe. Der Elektrofilter zeigte sehr zufriedenstellende Abscheidegrade für alle untersuchten Brennstoffe und Anlagenleistungen. Dadurch konnte die Brennstoffflexibilität der handelsüblichen Biomasse-Kleinfeuerung erhöht und die Verbrennung von Agrarbrennstoffen ermöglicht werden.</p>
<p> </p>
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MoREIntegrALBiomass - Modellbasierte Regelung und Elektrofilterintegration zur schadstoffarmen Verbrennung alternativer Biomassebrennstoffe
.jpg "© BE2020")
In heutigen Biomassefeuerungen bleiben problematische Biomassebrennstoffe wie halmgutartige Brennstoffe (z.B. Stroh), Altholz, Energiegräser sowie Reste aus der landwirtschaftlichen Industrie (Kerne, Schalen etc.) in vielen Fällen ungenutzt oder können nur in mittelgroßen und großen Feuerungsanlagen eingesetzt werden. Zwar weisen die im Leistungsbereich von 50-1000 kW eingesetzten automatisch beschickten Kessel generell einen sehr hohen konstruktiven Entwicklungsstand auf und unterscheiden sich dadurch feuerungstechnologisch nur kaum. Dennoch kann das volle Potential für niedrige Emissionen, gesteigerte Anlageneffizienz und der Möglichkeit, alternative Brennstoffe einzusetzen, noch bei weitem nicht ausgeschöpft werden. Dies liegt im Bereich der Primärmaßnahmen vor allem daran, dass mit den verwendeten Regelungen und der eingesetzten Sensorik aus Sicherheitsgründen sehr konservative Parametrierungen für die Regelung des Luftüberschusses, welcher sich direkt auf Emissionsverhalten und Effizienz auswirkt, eingesetzt werden. Im Bereich der Sekundärmaßnahmen gibt es noch keine weitverbreiteten und insbesondere kostengünstigen Maßnahmen, um Emissionen, insbesondere die bei der Biomasseverbrennung zu Recht kritisierten PM-Emissionen, zu reduzieren.
Im Zuge dieses Projektes wurden die Grundlagen zur Entwicklung einer Biomassefeuerung, die sich der zuvor genannten Problemstellungen annimmt, geschaffen. Im Bereich der Primärmaßnahmen wird durch den Einsatz innovativer modellbasierter Regelungsstrategien, in Verbindung mit neuartiger CO-λ-Sensorik, neben einer Steigerung der Anlageneffizienz und Reduktion von Emissionen die Möglichkeit zum Einsatz alternativer Biomassebrennstoffe geschaffen. Als Sekundärmaßnahme wurde eine kostengünstige und effiziente Möglichkeit zur PM-Abscheidung in Form einer Integration eines elektrostatischen Abscheiders in die Feuerungsanlage untersucht.
Die Untersuchungen erfolgten an einer eigens dafür mit spezieller Sensorik und einem Laborelektrofilter ausgerüsteten Versuchsanlage. Es wurden durch Experimente verifizierte mathematische Modelle der Abbrand- und Anlagencharakteristik entworfen und darauf aufbauend verschiedene modellbasierte Regelungskonzepte erarbeitet und in Simulationen validiert. Nach der Implementierung eines Regelungsansatzes an der Versuchsanlage wurden die für die Integration eines Elektrofilters relevanten Fragestellungen wie Abscheide- und Ionisationsverhalten experimentell untersucht und das Zusammenspiel aus Elektrofilter und modellbasierter Regelung in Langzeitversuchen analysiert und optimiert.
Projektvolumen
EUR 851.478,--
Projektlaufzeit
2015-06-01 - 2018-05-31
Finanzierung
FFG (Energieforschungsprogramm, 1. Ausschreibung) Dieses Projekt wird aus Mitteln des Klima-und Energiefonds gefördert und im Rahmen des Energieforschungsprogramms 2014 durchgeführt
Projektpartner
Ansprechperson
Daniel MUSCHICK
daniel.muschick@best-research.eu
Area Management
Markus GÖLLES
markus.goelles@best-research.eu