Ausbrandregelung von Biomasse-Kleinfeuerungsanlagen

Published 2013

Citation: Rumpf, M. Ausbrandregelung von Biomasse-Kleinfeuerungsanlagen, Master Thesis, Technische Universität Graz, Graz, Austria, 2013.

Abstract

 Die Anzahl der installierten Biomasse-Kleinfeuerungsanlagen ist in letzter Zeit deutlich gestiegen. Aus diesem Grund ist es umso wichtiger eine schadstoffarme und effiziente Verbrennung zu ermöglichen. Genau diese Anforderung stellt jedoch eine große Herausforderung für deren Regelung dar. Der optimale Restsauerstoffgehalt des Rauchgases, im Sinne von niedrigen Kohlenmonoxidemissionen (CO-Emissionen) bei bestmöglichem Wirkungsgrad, ist sehr stark vom Betriebszustand, von der Anlagengeometrie und vom verwendeten Brennstoff abhängig. Diese Tatsache wird jedoch derzeit bei den Regelungen von Biomasse-Kleinfeuerungsanlagen nicht oder nur teilweise berücksichtigt. Um hohe CO-Emissionen aufgrund von Sauerstoffmangel in jedem Fall zu vermeiden, werden Biomasse-Kleinfeuerungsanlagen üblicherweise mit vergleichsweise hohem Sauerstoff betrieben. Diese Maßnahme geht jedoch mit einer unerwünschten Reduktion des Wirkungsgrades der Feuerung einher. Diese Arbeit hat zum Ziel eine Strategie zu entwickeln, welche das Luftverhältnis sowie auch die Luftstufung während des Betriebes dahingehend anpasst, dass stets ein möglichst effizienter und dennoch schadstoffarmer Betrieb gewährleistet wird. Die im Rahmen dieser Masterarbeit behandelten Arbeiten, wurden anhand einer handelsüblichen Biomasse-Kleinfeuerungsanlage durchgeführt. Die verwendete Anlage wird mit Hackgut betrieben und hat eine Kesselnennleistung von 30 kW. Für die Anwendung einer Strategie zur Reduktion der CO-Emissionen wäre es von großem Vorteil, wenn der CO-Gehalt des Rauchgases gemessen werden könnte. Derzeit gibt es jedoch nur sehr teure Rauchgasanalyseeinheiten, welche für eine dauerhafte Bestimmung des CO-Gehaltes des Rauchgases geeignet sind. Somit war bis jetzt eine Messung des CO-Gehalts nur bei großen Biomassefeuerungsanlagen wirtschaftlich. In dieser Arbeit wurde zunächst eine Marktanalyse zu preiswerten Sensoren zur Detektion unverbrannter Komponenten im Rauchgas durchgeführt. Es wurden ausschließlich Sensoren untersucht, die aufgrund ihres geringen Preises auch wirtschaftlich eingesetzt werden können. Dabei zeigte sich, dass es derzeit zwei Sensoren gibt, welche diese Anforderungen erfüllen. Diese Sensoren dienen jedoch lediglich zur Detektion von unverbrannten Komponenten im Rauchgas und sind nicht in der Lage den CO-Gehalt des Rauchgases exakt zu messen. Aus diesem Grund wurde der Zusammenhang zwischen CO-Konzentration und Sensorsignal untersucht und anschließend mathematisch beschrieben, wobei die wesentlichen Querempfindlichkeiten berücksichtigt wurden. Da die physikalischen Zusammenhänge sehr komplex und zu einem wesentlichen Teil nicht bekannt waren, wurde das mathematische Modell mit Hilfe der experimentellen Modellbildung ermittelt, wobei die verwendeten Messdaten einen möglichst großen Bereich der verschiedenen Einflussparameter beinhalteten. In weiterer Folge wurden umfassende Testläufe zur Untersuchung der Auswirkung der Leistung, des Luftverhältnisses im Brennstoffbett, des gesamten Luftverhältnisses und des Brennstoffwassergehaltes auf die CO-Emissionen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass es für einen möglichst effizienten und gleichzeitig schadstoffarmen Betrieb notwendig ist, das Luftverhältnis im Brennstoffbett sowie den Sekundär"-luft"-massen"-strom in Abhängigkeit der geforderten Leistung zu variieren. Darauf aufbauend wurde eine geeignete Strategie zur Umsetzung dieser Maßnahmen entwickelt und implementiert. Dabei werden die Führungsgrößen für den Restsauerstoffgehalt sowie das Luftverhältnis im Brennstoffbett laufend an die geforderte Leistung angepasst. Zusätzlich dazu wird die Führungsgröße für den Restsauerstoffgehalt durch einen Suchalgorithmus zur Minimierung der CO-Emissionen variiert. Schlussendlich wurde die entwickelte Strategie mit Hilfe eines typischen Lastzyklus experimentell verifiziert.