Projekt 08206/01

Förderschwerpunkt Holz: Verminderung der Emissionen von Stickstoffoxiden (NOX) und polychlorierten Dibenzo-p-dioxinen und Dibenzofuranen (PCDD/PCDF) bei der energetischen Verwertung von Holzabfällen in einer Unterschubfeuerung durch konstruktive und betr

Projektdurchführung

Verein für Technische Holzfragen e. V.
Bienroder Weg 54 E
38108 Braunschweig

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Bei der Be- und Verarbeitung von Holz und Holzprodukten fallen Holzreste an, die verwertet bzw. entsorgt werden müssen. Ein möglicher Weg ist die Verbrennung. Hierbei werden Emissionen hervorgerufen, die zu minimieren sind. Ziel des Vorhabens war es, dies durch Primärmaßnahmen zu erreichen und Wege aufzeigen zu können, auf denen Feuerungsanlagen der 1. BImSchV so weiterzuentwickeln sind, daß sie bei der Verbrennung von unbehandelten Holzresten und Holzwerkstoffen den von der TALuft 86 vorgegebenen Grenzwert für NOx sicher einhalten und den in der 17. BImSchV festgesetzten Grenzwert für PCDD/F möglichst einhalten bzw. unterschreiten. Neben den genannten Brennmaterialien sollten auch Verbrennungsversuche mit CKB-haltigem Holz durchgeführt werden. Hierdurch war zu klären, in wie weit auch die durch das Schutzmittel zusätzlich verursachten Emissionen durch Optimierung der Feuerungsbedingungen soweit verringert werden können, dass das Verbrennen ausgewählter schutzmittelhaltiger Hölzer in Anlagen der 1. BImSchV vertretbar erscheint. Nach derzeitiger Rechtslage dürfen diese Holzsortimente, unabhängig von der Art des Schutzmittels, generell nur in Anlagen eingesetzt werden, die nach der 17. BImSchV genehmigt sind.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie grundlegenden Untersuchungen erfolgten an einem Heizungskessel mit Unterschubfeuerung und integriertem, wassergekühlten Rauchgasentstauber. Er hat eine Nennwärmeleistung von 250 kW. Außerdem wurden Verbrennungsversuche an einer Holzhackschnitzelvergaserfeuerung mit nachgeschaltetem Heizkessel durchgeführt. Diese Anlage weist eine Feuerungswärmeleistung von 65 kW auf. An der Unterschubfeuerung wurde zunächst der Stand der Technik beim Einsatz gängiger Brennstoffe ermittelt. Anschließend wurde untersucht, wie sich die Veränderungen anlagentechnischer Parameter wie Ofengeometrie, Material- und Luftzufuhr, Durchmischungsbedingungen, Verweilzeiten in den verschiedenen Temperaturbereichen sowie die Temperatur im Feuerraum und in der Abgasstrecke auf das Emissionsverhalten hinsichtlich NOx, Dioxinen und PAHs auswirken. Neben den mit dem Rauchgas emittierten Schadstoffen sind auch die anfallenden Aschen auf die beiden organischen Stoffgruppen untersucht werden. An der kleineren Anlage sind im zweiten Teil des Forschungsvorhabens mit verschiedenen Brennmaterialien Versuche bei Voll- und Teillastzuständen gefahren worden, wie sie z.B. jahreszeitlich bedingt unter sonst konstanten Parametern bei gewerblich genutzte Anlagen auftreten. Hierdurch sollten Aussagen ermöglicht werden, ob und ggf. wie sich Art und Höhe der Emissionen durch die verschiedener Laststufen verändern. Zur Online-Charakterisierung der Verbrennungsqualität diente bei allen Versuchen die Bestimmung der CO-Konzentration im Rauchgas.


Ergebnisse und Diskussion

Der für die Unterschubfeuerung hinsichtlich CO geltende Grenzwert der 1. BImSchV in Höhe von 0,5 g/Nm³ für Spanplatten bzw. 1 g/Nm³ für Holz wurde stets weit unterschritten. Die CO-Werte lagen bei den verschiedenen Versuchen zwischen 30 mg/Nm3 und 134 mg/Nm³. Die NOx-Konzentrationen erreichten bei den Versuchen, in denen Holz verbrannt wurde, Werte zwischen 90 mg/m3 und 140 mg/m3 und stie-gen beim Verbrennen der Spanplatten auf 270 mg/m3 bis 500 mg/m3 an. Der von der 17. BImSchV vorgegebene Grenzwert für PCDD/F von 0,1 ng I?TEQ/Nm³ wurde nur bei zwei Versuchen eingehalten. In den meisten Fällen lag er zwischen 0,2 ng/m3 und 0,6 ng/m3 und stieg in einem Fall bis auf 1,5 ng/m3 an. Allerdings kann dieser Grenzwert für die hier untersuchten Feuerungsanlagen nur als Zielwert angesehen werden, da sie nicht der 17. BimSchV sondern der 1. BImSchV unterliegen. Die Konzentration der Summe der PAK (nach EPA) lag zwischen 4 µg/m3 und 120 µg/m3. Auffällig ist, dass in den Fällen, in denen die Dioxinemissionen durch die veränderten Versuchsparameter vermindert werden konnten, die PAK-Konzentrationen mehr oder minder stark anstiegen. Die höchsten Dioxingehalte in den Aschen wurden im Bereich des Wärmetauschers gefunden. Dort wurden Werte zwischen 400 ng I?TEQ/kg und 5.000 ng I-TEQ/kg ermittelt. Die PAK-Konzentrationen in den Aschen waren in den meisten Fällen im Bereich des Wärmetauschers bzw. der Zyklone mit Werten zwischen 40 mg/kg und 340 mg/kg am höchsten, wobei bei den verschiedenen Versuchsbedingungen teils im Wärmetauscherbereich, teils im Zyklonbereich die höheren Werte gefunden wurden. Bei vermindertem Dioxingehalt in den Rauchgasen wurde oftmals eine Erhöhung der Konzentrationen in den Aschen festgestellt. Es zeigte sich außerdem, dass eine Optimierung der Verbrennung auf niedrige CO- und NOx-Gehalte nicht zugleich eine verminderte Konzentration von PCDD/F und PAK im Rauchgas und in den Aschen zur Folge hatte. An der Vorofenfeuerung wurden ohne bauliche Veränderungen drei verschiedene Brennmaterialien unter Volllast und Teillast verbrannt. Wegen der geringeren Leistung der Vorofenfeuerung gilt für diese gemäß der 1. BImSchV hinsichtlich CO ein Grenzwert von 0,8 g/Nm³ für Spanplatten bzw. 2 g/Nm³ für Holz. Er wurde in allen Fällen weit unterschritten. Die CO-Konzentrationen waren bei den verschiedenen Versuchen zwischen 90 mg/Nm3 und 770 mg/Nm3 angesiedelt. In Abhängigkeit vom Brennmaterial stieg die CO-Konzentration beim Übergang von Voll- auf Teillast etwa um den Faktor 2 bis 6 an. Die NOx-Konzentrationen im Rauchgas erreichten bei den Versuchen, bei denen Holz verbrannt wurde, Werte zwischen 130 mg/m3 und 140 mg/m3. Beim Verbrennen der Spanplatten lag der Emissionswert erwartungsgemäß mit 640 mg/m3 deutlich höher und stieg bei Teillast sogar noch weiter auf 840 mg/m3 an. Die PCDD/F-Konzentrationen lag nur bei einem Versuch über 0,1 ng I?TEQ/Nm³. Sie waren damit etwa um den Faktor 10 niedriger als an der Unterschubfeuerung. Bei den Teillastzuständen lagen sie i.d.R. etwa 3 bis 6 mal so hoch wie beim Vollastbetrieb. Nur beim naturbelassenen Nadelholz unterschieden sich die Emissionen in diesen beiden Laststufen kaum. Dafür stieg sie im Mittellastbetrieb auf das 10-fache an. Die PAK-Konzentrationen erreichten Werte zwischen 3 µg/m3 und 55 µg/Nm3. Sie waren damit nur etwa halb so groß wie bei der Unterschubfeuerung. Mit Ausnahme der Spanplatten stieg die Emission beim Teillastbetrieb auf das 10-fache des Wertes bei Volllast an. Die PCDD/F- und PAK-Konzentrationen waren jeweils in den Flugaschen am höchsten. Erstere blieben alle deutlich unter 1.000 ng I-TEQ/kg, während die PAK-Konzentrationen einen Höchstwert von 40 mg/kg erreichten. Auffällig ist, dass in beiden Feuerungssystemen die Anwesenheit des kupferhaltigen Schutzmittels nicht den Einfluss auf die Dioxinemission hatte, wie dies aufgrund anderer Untersuchungen zu erwarten war. Bei der Unterschubfeuerung sank der Emissionswert auf ¼ des Wertes, der beim Einsatz von naturbelassenem Nadelholz gemessen wurde, und auch bei der Vorofenfeuerung stieg er nur in Maßen an. Hinsichtlich der PAK erhöhte sich dagegen bei beiden Systemen die Emission durch den CKB-Zusatz auf etwa das dreifache.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Poster bei der Jahrestagung der GDCh-Fachgruppe Umweltchemie und Ökotoxikologie, 07.-10.10.2000, Bayreuth


Fazit

Die Höhe der PCDD/F- und der PAK-Emissionen waren gegenläufig. Bei der Umsetzung der gewonnenen Erkenntnisse in die betriebliche Praxis dürfen daher nicht nur die Dioxine und die Stickoxide betrachtet werden, sondern es müssen auch die PAK-Emissionen berücksichtigt werden.