1. Rauchgasverbesserung (CO<0,4, Feinstaub <0,02g/m3) (Minimalverbrennung bei Querscheit-Stufenfeuerung)

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    Hohlbrand & Holzvergasung Abb.7 Kesseleigenschaften (links) mit und (rechts) ohne Hohlbrand 60min nach Brennstart
 

1.1 Ungeordnete Horizontalfeuerung (->Hohlbrand)

Anzünden;Nach dem Anzünden wird die Verbrennung im Unterbereich der ungeordnet horizontal geschichteten Holzscheite (ungeordnete Horizontalfeuerung) in der Kesselbrennkammer (etwa 140l) durch den Sauerstoff (21%) der Primärluft unterhalten. Sie strömt aus Löchern im Unterbereich der seitlich angebrachten Kesselschutzplatten, die ihrerseits jeweils von zwei Finger breiten Kesselwandschlitzen hinter der mittleren und hinteren

Platte sowie einem jeweils drei Finger breiten Schlitz hinter den vorderen Platten versorgt werden, d.h. vorne ist die Verbrennung dank erhöhter Luftzufuhr tendenzmäßig intensiver als weiter hinten im Kesselraum. Die Verbrennungsabgase (Rauchgase) werden durch einen im hinteren Bereich des Brennkammerbodens befindlichen und von zwei Metallplatten begrenzten Schlitz (ca 20x4cm) in die untere Brennkammer gesaugt. Direkt unter den Metallplatten vermischt sich das Rauchgas mit der dort von außen eingespeisten Sekundärluft (21%O2). wobei im Rauchgas enthaltenes Holzgas, mit vor allem Methan (CH4) und Wasserstoff (H2), zu Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) verbrennt. Durch den intensiveren Luftstrom im Vorderbereich der Kesselbrennkammer ergibt sich ein erhöhter Holzabbrand, der durch Querscheitfeuerung verhindert werden kann, sonst aber typischerweise zur Bildung einer Gluthöhle (Hohlbrand) innerhalb der ersten 60min führt. Im Abgas finden sich während dieser Zeit hohe CO Werte ohne Anzeichen deutlicher Holzgasbildung (-> O2 Absenkung unter 10% im Rauchgas).

Anbrennphase:Während der etwa 30-45minütigen Anbrennphase eines frisch angeheizten Kessels wird die Glutbildung in der Kesselbrennkammer bis zum Erreichen einer Rauchgastemperatur von 180C durch maximalen Gebläsesog (100%) stimuliert, wobei die Primärluftklappe geöffnet (100%), und die Sekundärluftklappe geschlossen (0%) bleibt. Beim Erreichen von 180C, wird der Gebläsesog schrittweise auf ein Minimum von typischerweise 60% reduziert, die Rauchgastemperatur steigt zunächst auf 185-195C weiter an, um dann langsam auf Werte zwischen 160-170C abzufallen, wonach durch Erhöhung des Gebläsesogs eine erneute Glutbettstimulation zum nächsten Heizzyklus (Modulation) erreicht wird.

Hohlbrand: Die O2 Konzentration im Rauchgas vermindert sich von Heizzyklus zu Heizzyklus von etwa 16% auf 10% infolge steigendem O2 Verbrauch im größer werdenden Glutbett. Bei Unterschreiten von 10% wird Sauerstoff durch Teilöffnung der Sekundärklappe mit Frischluft auf 10% ergänzt mit dem Gedanken, in der Kesselbrennkammer enstandenes Holzgas beim Durchlaufen der unteren Brennkammer optimal zu CO2 zu verbrennen und dadurch zusätzliche Heizenergie freizusetzen.

Infolge Verklemmung der im Brennverlauf üblicherweise einige Zentimeter nach vorne gerutschten Holzscheite an der Schwelle der oberen Kesseltür, verbrennt das Holz unter Ausbildung einer immer größer werdenden Gluthöhle im vorderen Kesselbereich bis zum Brennende problemlos zu Asche, ohne dass bei oberflächlicher Betrachtung etwas Besonderes auffällt. Die Betriebsdatenanalyse zeigt eine verhältnismäßig konstante O2 Konzentration zwischen etwa 9 und 11% im Rauchgas (Abb.7 li unten, grüner Pfeil). Über längere Zeit gelangt aber trotz weit geöffneter Primärklappe (Abb.7 li Mitte, roter Pfeil) nur wenig Holzgas in die untere Brennkammer, weshalb die Rauchgastemperatur langsam deutlich unter die Solltemperatur von 180C sinkt. (Abb.7 li oben, roter Pfeil).

Rauchgasabzugsverlegung: Ganz ähnlich verhalten sich die Betriebsdaten, wenn größere Glutstücke den Verbindungsschlitz zwischen Hauptbrennkammer und der darunter liegenden Holzgasverbrennkammer verlegen, was während der Abrennpahse durchaus immer einmal wieder vorkommt und durch Freiräumung des Schlitzes mit dem Spitzfeuerhaken behoben wird..

1.2 Frontabsenkung der Holzscheite

    Hohlbrand 60min
Abb.8 Hohlbrand bei ungeordneter Scheiteinschichtung nach 60min Brandzeit: Verklemmte Scheite (li) vor und (re) nach dem Herunterstoßen mit dem Rechteckhaken
 

Frontabsenkung: Damit ist es für die Brenneffizienz sehr wichtig, den in der Anfangsphase der Scheitholzverbrennung im SHV30 Kessel auftretenden Hohlbrand möglichst wirksam zu unterbinden. Dies wird durch Frontabsenkung der Holzscheite 60 oder 120min nach Brennstart mit dem Rechteckfeuerhaken erreicht (Abb.8rechts).

Dieser Zeitbereich liegt in der Schwelphase d.h. der maximalen Holzgasentwicklung, weshalb es Sekunden nach Öffnen der oberen Kesseltür zu Verpfuffungen d.h. Herausschlagen von Flammen aus dem Brennraum kommen kann. Durch vorheriges kurzzeitiges Öffnen (10-15sec) der mittleren Kesseltür wird die Holzbrennkammer belüftet, was Verpuffungen vermeidet.

Obwohl das Herabstoßen der Scheite den Hohlbrand vermindert, kommt es während seines Bestehens zu erhöhter CO Werten im Rauchgas, d.h. das Problem ist auf diese Weise nicht befriedigend lösbar.

1.3 Querscheit-Stufenfeuerung

Rückverlegung des Glutzentrums durch Einlage von zwei Querscheiten (Abb.9c) verhindert den Hohlbrand, was zu einer effizienten Holzgasbildung bereits 15-30min nach Anfeuerung führt. Nach 60-90min Brennzeit wird die mittlere Kesseltür geöffnet. Die sichtbaren Scheite werden mit dem Rechteckfeuerhaken in Richtung Kesselrückwand gestoßen, was zum Absinken des Scheitstapels um einige Zentimeter führt. Nach Wiederverschluss der Tür wird die obere Kesseltür geöffnet, und der Scheitstapel mit dem Rechteckfeuerhaken so gut, wie möglich nach unten gestoßen. Anschließend sitzen der Scheitstapel gleichmößig auf dem verdichteten Kesselglutbett auf.

Der gleichmäßige, etwa 15-20cm hohe Glutbereich brennt den Scheitstapel langsam ab, was am allmählichen Herabsinken der nur geringfügig geschwärzten oberen Scheite (Abb.9f1/f2) nach etwa 60min Brennzeit sichtbar wird. Die Brandzone bleibt begrenzt, und der Stapel brennt nicht frühzeitig unter vermehrter CO Bildung in Gänze durch.

Querscheitfeuerung

Abb.9 Querscheitfeuerung: Die ausgeschüttelte Holzkohle (a) aus dem Vorbrand dient als Glutbett für die Neuanfeuerung. Nach Einstreuen von zwei oder drei Handvoll Spänen als Anbrennhilfe wird die Anbrennschicht (b) aus 2-3 mitteldicken (ca 5-6cm) und etwa 6-10cm breiten Nadelholzscheiten flach aufgelegt. Darauf kommen das Querscheit (c) (typischerweise ein halbiertes 50cm d.h. etwa 25cm langes Buchen- oder Nadelholzscheit von etwa 5-6cm Höhe und 10-15cm Breite). Die Deckscheite über dem Querscheit (d) besteht zweckmäßigerweise aus Nadelholzscheiten zur schnelleren Glutentstehung. Anschließend werden dickere Buchenbreit-, Vierecks- oder Dreiecksscheite (e1) mit einer gewissen seitlichen Lockerheit darüber gestapelt. Die Scheite, werden mit dem, falls vorhanden, dickeren Ende nach vorne sowie der breitesten Seite nach unten mit etwa 0,5cm Seitenabstand an die Kesselhinterwand anstoßend so gelegt, dass Spalten zwischen den Scheiten von darüberliegenden Scheiten möglichst verdeckt werden (Ziegelmauerwerkprinzip). Dadurch wird das Entstehen von "Minikaminen" gehemmt, die zum schnellen Durchbrennen des Scheitstapels unter erhöhten CO Werten führen. Die bei der Mischholzfeuerung zur Rußverbesserung randständig hochkant eingelegten Nadelholzscheite sind mit weißen Punkten gekennzeichnet (e1-f2). Sie verbrennen schnell und erleichtern so das Nachrutschen der Buchenscheite. Nach 60min ist der Scheitstapel durch den unteren Abbrand bereits bereits deutlich nach unten gesunken. Die oberen Scheite sind noch hell d.h. nicht angebrannt, weil die Glut durch die beschriebene Scheitpackung auf den unteren Kesselbereich (15-20cm) beschränkt bleibt. Die langsame Horizontalabsenkung des Scheitstapels (f1) verhindert wirksam den Hohlbrand (Abb.8rechts).

Gleichmäßiger Abbrand: Obwohl die Querscheitfeuerung den Hohlbrand verhindert, können die Scheite, angesichts des lebhafteren Abbrands im Kesselvorderbereich, vorne schneller nach unten sinken als hinten. Das lockere Aufschichten der unteren Scheite bis zur Schwelle der oberen Kesseltür mit nur etwa 0,5-1cm Abstand (Verklemmschutz) zur Kesselvorderwand verhindert dies. Die über der Türschwelle liegenden oberen Scheite werden dagegen, wie üblich, an die Kesselhinterwand anliegend eingeschichtet. Die so entstehende Stufe im Holzstapel (Querscheit-Stufenfeuerung) führt im unteren Vorderbereich zu mehr Brandlast, d.h. langsameren Absinken, bei einem etwa 3-5cm breiten Spalt im Hinterbereich, der den hinteren Abbrand und damit die gleichmäßige hintere Scheitabsenkung befördert. Die an der Kesselhinterwand anliegenden Scheite des Oberbereichs befördern dabei durch ihr Gewicht zusätzlich das Absinken des hinteren Scheitbereichs. Auf diese Weise ist es, außer einer Scheitpackung nach 60-90min, üblicherweise nicht erforderlich, den Brandfortschritt durch Öffnen der mittleren (Schnellbelüftung zur Vermeidung von Holzgasverpuffungen) und oberen Kesseltür immer wieder zu kontrollieren.

Feinstaubmessungen im Rauchgas wurden mit einem Testo 320basic (V1.07) Abgas-Analysegerät im Heizölmodus durchgeführt. Zur Schaffung vergleichbarer Ausgangsbedingungen wurde der Holzstapel im Kessel 10min vor der Messung mit dem Rechteckfeuerhaken durch die mittlere und obere Kesseltür, soweit wie möglich, verdichtet.

1.4 Minimalverbrennung (Sparbrand) bei Gebläsekonstanz statt Gebläsemodulation

Gebläseregulation: Mit Werkseinstellung wird der Kessel mit automatischer Gebläsemodulation und nachfolgender Feineinstellung der Primär- und Sekundärluftklappen betrieben. Sie regeln die Zufuhr der Verbrennungsluft zur Scheitbrennkammer sowie der Zusatzluft zur Holzgasverbrennung in der unteren Brennkammer. Die Gebläsemodulation führt einerseits zum Überschwingen der Temperatur über den Holzgasentwicklungsbereich (180-200C) hinaus auf 210-215C mit Wirkungsgradminderung und hohen Feinstaubwerten sowie andererseits zum Unterschwingen auf 137-141C vor dem nächsten Gebläseeinsatz mit etwa zweiminütigen Phasen (7:52-9:39 min:sec) hoher CO-Abgaswerte zwischen 5-11gCO/m3 (Abb.5).

Zur Senkung von CO-Abgaswerten und Feinstaubentwicklung wurde ein Betriebskonzept mit Gebläsekonstanz entwickelt, das diese Probleme zuverlässig vermeidet und auch bei älteren Kesseln ohne Hard- oder Softwareänderungen zu mittleren CO-Abgas- und Feinstaubwerten unter 0,4g/m3 bzw. 0,02g/m3 führt.

Die beschriebene Regelung kann mit Wahrscheinlichkeit auch auf Scheitholzkessel anderer Hersteller angepasst werden. Darüberhinaus ist sie möglicherwiese für weitere Gebläse und Luftklappen geregelte Verbrennungsprozesse wie z.B. Hackschnitzelheizungen oder die Müllverbrennung von Interesse.

Optimierte Gebläseeinstellung: Beim KWB SHV30 Classicfire Kessel erfordert dies die Anhebung der minimalen Gebläsegeschwindigkeit von werksseitig 35% auf 50% oder 60%. Dazu wird im Menü Fachmannebene des Hauptmenüs durch Eingabe der Kennzahl das Menü Grundeinstellungen aktiviert, in dessen Untermenü Lufteinstellungen die Gebläseeinstellung von 35% z.B. auf 50% angehoben. So entsteht bereits in der Anfangsphase (30-75min) (Abb.10a) sowie anschließend im Zeitraum 127-268min von selbst eine innerhalb vergleichsweise enger Rauchgastemperaturen (166,6-199,9C) schwebende Minimalverbrennung mit niedrigen CO-Werten (119-410mg/m3), hohem Wirkungsgrad (88,8-91,0%) (Abb.10b,c) sowie verbesserter Brennstoffnutzung. Die Praxis zeigt, dass eine Gebläse(min) Einstellung von 50% oder 60% zuverlässlig zur Minimalverbrennung führt. Dabei überhitzt der Kessel weder, noch geht er allmählich aus, d.h. die beschrieben Gebläsekonstanz sichert über die Gesamtbrenndauer stabile Betriebsbedingungen.


Abb.10a Querscheit-Stufenfeuerung, 30-75min, frühe Schwelphase bei Minimalverbrennung (MW CO: 0,861g/m3, 45min) (++ durch Anklicken)
Abb.10b Querscheit-Stufenfeuerung, 127-154min, späte Schwelphase) bei Minimalverbrennung (MW CO: 0,224g/m3, 27min) (++ durch Anklicken)
Abb.10c Querscheit-Stufenfeuerung, 213-268min (Hauptbrennphase bei Minimalverbrennung (MW CO 0,210g/m3, 54min) (++ durch Anklicken)
Läuft das Gebläse mit konstanter Geschwindigkeit von z.B. 50% wird die Kesselwassersolltemperatur von 85C bei vergleichsweise niedriger Rauchgastemperatur von 146C noch unterhalb der Solltemperatur von 153C erreicht (Abb.7 re oben, grüner Pfeil). Dabei wird die Verbrennungswärme mit 89-91% Ausbeute (Abb.10) an das Kesselwasser abgegeben. Bei fest eingestellten Gebläsegeschwindigkeit von 50% (Abb.7 re Mitte, grüner Pfeil) stellen die vom Sauerstoffgehalt des Rauchgases gesteuerten Primär- und Sekundärluftklappen Luftklappen die geforderte Rauchgasauerstoffkonzentration von 10+-1% autimatisch ein (Abb.7 re unten, grüner Pfeil)

1.6 Optimierung der Minimalverbrennung (Sparbrand)

Neben der vorstehend beschriebenen Einstellung von minimal 60% Gebläseleistung bei 10% Primärklappenöffnung, wurden im Rahmen von Optimierungsversuchen zusätzlich die Bedingungen 40/25%, 50/15% sowie 70/10% untersucht. Für den eigenen Kessel liegt das Optimum bei den Einstellungen 50/15% oder 60/10% (Tab.1). Die dabei erreichten CO- und Feinstaubwerte liegen unterhalb von 0,4g/m3 und 0,02g/m3. Damit erfüllen sie die Anforderungen der 1.BImSchV §5 (PDF) für nach dem 31.12.2014 errichtete Anlagen. Gemäß Kaminkehrermessung vom 15.12.2021. betrugen die Werte des eigenen Kessels 0,1g/m3 für CO und 0,02g/m3 für den Feinstaub (kein Zusatzfilter). Mit Wahrscheinlichkeit können ähnlich gesteuerte und vor dem 1.1.2015 in Betrieb gegangene Heizkessel anderer Hersteller ebenfalls auf die beschriebene Weise eingestellt werden.

Zur Vermeidung unnötiger Teerablagerungen ist es abschließend wichtig, nach dem Anzünden des Heizkessels möglichst schnell möglichst viel Glut zu erzeugen. Durch etwa 3-5cm Offenlassen der mittleren Kesseltür wird der Kessel zunächst auf 180C Rauchgastemperatur hochgefahren. Nach Schließen von Kessel- und Außentür sinkt die Temperatur zügig auf 170C ab. Die Prozedur wird noch zwei oder besser dreimal wiederholt. Ab dem dritten oder vierten Hochheizen regelt die Kesselsteuerung die Rauchgastemperaturen zwischen 160-190C üblicherweise von selbst. Die schnelle Glutvermehrung verkürzt die Anbrennphase von 30-45min auf etwa 15-20min. Das Rauchgas bleibt dabei während der gesamten Brenndauer teerarm mit grau weißlichem Flugruß in der gesamten Anlage (Kessel, Abgasrohr, Kaminrohr) bei praktisch fehlenden Teerablagerungen an der Kesseldecke und vor allem in den Wärmetauscherrohren d.h.diese verstopfen langzeitig nicht mehr, was die Wärmeübertragung ins Heizwasser verbessert, den Wartungsaufwand bezüglich Gängigmachen der Luftverwirbelungsfedern in den Wärmetauscherrohren beseitigt und den Brennstoffbedarf zwischen 5-10% senkt.

Während der anfänglichen Glutvermehrungsphase steigt manchmal die Rauchgastemperatur bei voller Gebläsedrehzahl (100%) auf einmal nicht mehr an oder fällt sogar ab, weil größere Glutstücke die Rauchgasabzugsöffnung in die untere Brennkammer verlegen. Nach Öffnung der mittleren Kesseltür werden diese mit einem Spitzfeuerhaken zur Seite geschoben.

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