Projekt 10140/01

Emissionsminderung bei direkt befeuerten Holzbacköfen

Projektdurchführung

Buchauer Holzofenbäckerei
Lehm 6
91257 Pegnitz

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Buchauer Holzofenbäckerei betreibt derzeit 5 direkt beheizte Holzbacköfen mit insgesamt 9 Herden, in denen Holzofenbrot gebacken wird. Als Brennstoff zur Beheizung der Backöfen wird Restholz verwendet.
Bei den handwerklich gesetzten Backöfen treten, bei geringen feuerungstechnischen Wirkungsgraden, hohe bis sehr hohe Emissionen von Produkten unvollständiger Verbrennung auf.
Die Vorhabensziele bestehen in einer Emissionsminderung von Produkten unvollständiger Verbrennung (Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe, Partikel) sowie in einer Steigerung des feuerungstechnischen Wirkungsgrades der installierten Backöfen. Hierdurch soll eine Abnahme der Belästigung in der Nachbarschaft der Bäckerei erreicht und der Brennstoffbedarf verringert werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Minderung von Produkten unvollständiger Verbrennung soll vor allem durch eine Verbesserung der Verbrennungsbedingungen erreicht werden, wodurch sich auch der feuerungstechnische Wirkungsgrad erhöht, da sowohl die chemischen als auch die thermischen Verluste abnehmen.
Durch die Einbindung der Kooperationspartner Backofenbau R. Knörrlein GmbH und des Institutes für Verfahrenstechnik und Dampfkesselwesen (IVD) der Universität Stuttgart sowie des Steinbeis Transfer-zentrums Kraftwerks- und Feuerungstechnik, Luftreinhaltung in Stuttgart als Auftragnehmer ist gewährleistet, dass die Erkenntnisse des Vorhabens bei anderen Betreibern von Holz- oder Pizzabacköfen auch direkt umgesetzt werden können. Außerdem sind damit die wissenschaftlichen und technischen Grundlagen und Ergebnisse des Vorhabens allgemein zugänglich.


Ergebnisse und Diskussion

Zur Erreichung der Vorhabensziele wurde in einem ersten Schritt exemplarisch an einem Herd dessen Betriebs- und Emissionsverhalten im realen Backbetrieb untersucht. Die wesentlichen Ergebnisse aus den Messungen am untersuchten Herd, die als Grundlage zur Entwicklung eines Konzeptes zur Emissionsminderung und Wirkungsgradsteigerung dienen, lassen sich wie folgt zusammenfassen:
Emissionsverhalten des Herdes: Bei Holzaufgabemengen über 26 kg entstehen durch sehr ungünstige Verbrennungsbedingungen hohe bis sehr hohe Emissionen von Produkten unvollständiger Verbrennung. Die Temperatur des Abgases nimmt in den Abgaszügen sehr schnell ab, chemische Reaktionen finden dort kaum noch statt. Somit müssen primärseitige Maßnahmen im Herd selbst wirksam werden.
Holzaufgabemenge: Bei den in der Praxis eingesetzten Holzaufgabemengen ergibt sich eine große Bandbreite von 20 bis etwas 100 kg. Bei dieser großen Bandbreite von 1:5 ist eine feuerungstechnische Optimierung nur mit großem Aufwand möglich. Einfachere primärseitige Maßnahmen, wie z.B. Optimierung der Luftzugabeorte, Schaffung einer definierten Nachverbrennungszone, Abstimmung der Verbrennungsluft-Teilströme, Brennstoffanpassung reichen hier nicht aus.
Thermisches Verhalten des Backofens: Der Holzverbrauch nahm während der Messkampagne sowohl während eines Betriebstages als auch während der Betriebswoche kontinuierlich ab. Ein wesentlicher Energieanteil wird für die Aufheizung der gesamten Masse des Backofens, der aus zwei übereinander liegenden Herde besteht, benötigt.
Feuerungstechnischer Wirkungsgrad: Aufgrund der prozessbedingten hohen Abgastemperaturen und der relativ geringen CO2-Konzentrationen liegen die feuerungstechnischen Wirkungsgrade bei den Chargenabbränden lediglich bei rund 62 %. An den Verlusten haben die thermischen Abgasverluste den größten Anteil. Wegen der schlechten Verbrennungsbedingungen sind aber auch die chemischen Verluste durch CO und VOC nicht unbedeutend.
Das vorgeschlagene Minderungskonzept besteht darin, dass zur Deckung des Spitzenwärmebedarfs nach einem Wochenend- bzw. Tagesstillstand der Herde Flüssig- oder Erdgas eingesetzt wird. Die Energie, die für den eigentlichen Backvorgang notwendig ist wird weiterhin durch die Verfeuerung von Holz-brennstoffen erzeugt, wobei die Holzaufgabemenge maximal 26 kg betragen sollte.
Dieses Minderungskonzept wurde an einem Herd realisiert und in einer praktischen Erprobungsphase bei guten Backergebnissen getestet. Zur Umsetzung des Minderungskonzeptes wurden Simulationsrechnungen der Strömungs-, Temperatur- und Konzentrationsverteilungen im Herd beim Einsatz von zwei bzw. drei Gasbrennern durchgeführt. Mit Hilfe der Simulationsrechnungen sollten, bezüglich der Temperaturverteilung und des Betriebsverhaltens der Brenner, optimale Brennerleistungen und Einbauorte der Gasbrenner in der Seitenwand des Herdes festgelegt werden. Die Ergebnisse der Berechnungen haben sich in der Praxis voll bestätigt.
Die Wirksamkeit des Konzeptes wurde durch erneute Emissions- und Temperaturmessungen nachgewiesen. Für die CO- und VOC-Emissionen ergibt sich demnach eine maximale Minderung von 72 bzw. 93 %. Hierbei ergibt sich eine Reduzierung des Energieverbrauchs durch die Steigerung des feuerungstechnischen Wirkungsgrads um ca. 15 %.
Ergänzende Untersuchungen über die Wirksamkeit einer Sekundärluftzuführung durch Öffnungen im Herdbereich führten bei praxisüblichen Holzaufgabemengen und den damit verbundenen ungünstigen Verbrennungsbedingungen zu keinem messbaren Erfolg.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Veröffentlichung der Vorhabensergebnisse in Fachzeitschriften. Präsentation durch Kooperationspartner und Auftragnehmer.


Fazit

Die Wirksamkeit des vorgeschlagenen Konzeptes zur Emissionsminderung und Wirkungsgradsteigerung wurde, bei guten Backergebnissen, durch Praxismessungen nachgewiesen. Für die CO- und VOC-Emissionen ist, bei einer Reduzierung des Energieverbrauchs um 15 %, eine maximale Minderung von 72 bzw. 93 % an den installierten Backöfen erreichbar.