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BioKreativ 2 - Bio4Act: Biogene Aktivkohlen und Plattformchemikalien aus Restbiomassen zur Implementierung einer nachhaltigen zirkulären Bioökonomie

Charakterisierung des Verbrennungsverhaltens von Festbrennstoff aus Abfall

Durch die veränderten Randbedingungen in der Abfallwirtschaft ist es von zunehmender Bedeutung, für den Einsatz von Festbrennstoffen aus Abfall deren Verbrennungsverhalten bestimmen zu können. Dieses ist mit den normierten Analysemethoden für Festbrennstoffe nicht ausreichend möglich. Am Fachgebiet Abfalltechnik der Universität Kassel werden mit der Untersuchung der Einzelkornverbrennung und der Durchführung semi-kontinuierlicher Verbrennungsversuche zwei Methoden verfolgt, das Verbrennungsverhalten von Festbrennstoffen aus Abfall durch Verbrennungsversuche an der Technikumsverbrennungsanlage (TVA) zu bestimmen. Vorteile der Verbrennungsversuche zur Charakterisierung des Verbrennungsverhaltens durch Einzelkornverbrennung ergeben sich aus der größeren Informationstiefe im Vergleich zu den herkömmlichen DIN-Verfahren sowie durch die große Einzelkornabmessung, die neben einer besseren statistischen Absicherung des Brennverhaltens Aussagen zum Fragmentierungsverhaltens großer Brennstoffkörner erlaubt. Die Bilanzierung von semi-kontinuierlichen Verbrennungsversuchen ermöglicht die Charakterisierung des Verbrennungsverhaltens heterogener Stoffgemische. Durch die Bestimmung charakteristischer Kurven der Energiefreisetzung unterschiedlicher Abfallgemische und des daraus abgeleiteten Energiefreisetzungswertes (EFW) lässt sich das Verbrennungsverhalten verschiedener Stoffgemische direkt vergleichen. Nach den bisher vorliegenden Ergebnissen scheinen beide Methodenansätze geeignet zu sein, einen Beitrag zur Bestimmung des Verbrennungsverhaltens von Festbrennstoffen aus Abfall zu liefern. Für genauere Aussagen ist es allerdings notwendig, die vorhandene Datenbasis zu erweitern.

Neue Verfahrenskombination für die maximierte Energiegewinnung aus Bioabfällen mit Nährstoffrecycling, Teilvorhaben: Prozessentwicklung für die EGSB-Vergärung von Flüssigphasen aus der HTC-Behandlung von Bioabfall inklusive einer Nährstoffrückgewinnung

Demonstration von Methoden zur Diagnose, Prognose und Behebung von nicht-nominalen Betriebszuständen in biomassebasierten Versorgungssystemen, Teilvorhaben: Entwicklung von Methoden, Modellen und Werkzeugen zur Fehlerdiagnose und -prognose mit Fokus auf brennstoffbezogene Fehler

Neue Verfahrenskombination für die maximierte Energiegewinnung aus Bioabfällen mit Nährstoffrecycling, Teilvorhaben: Prozessentwicklung für die HTC-Behandlung von Bioabfall mit erhöhtem Kunststoffanteil

Sonderforschungsbereich Transregio 129 (SFB TRR): Oxyflame - Entwicklung von Methoden und Modellen zur Beschreibung der Reaktion fester Brennstoffe in einer Oxyfuel-Atmosphäre, Sonderforschungsbereich Transregio 129 (SFB TRR): Oxyflame - Entwicklung von Methoden und Modellen zur Beschreibung der Reaktion fester Brennstoffe in einer Oxyfuel-Atmosphäre

Zur nachhaltigen Sicherung der Energie- und Stromversorgung wird zukünftig neben Kernenergie und regenerativer Energiebereitstellung weiterhin der Rückgriff auf fossile Brennstoffe, wie Kohle, Öl und Erdgas, unverzichtbar bleiben. Bei konventionellen Kraftwerkstechnologien werden jedoch Treibhausgase freigesetzt, während gleichzeitig deren Reduzierung weltweit hohe Priorität hat. Zur Lösung dieses Zielkonflikts werden 'Carbon Capture and Storage' (CCS)-Methoden diskutiert, wobei die Oxyfuel-Verbrennung eine der vielversprechendsten Technologien zur CO2-Abscheidung darstellt. Bei diesem Verfahren wird der Brennstoff anstelle von Luft mit einem Gemisch aus Sauerstoff und rezirkuliertem Rauchgas verbrannt, um so ein hoch CO2-haltiges Abgas zu erzeugen, das nach weiteren sekundären Reinigungsschritten abgetrennt werden kann. Der Ersatz des Stickstoffanteils der Luft durch CO2 und H2O führt zu einem völlig neuen Verbrennungsverhalten, das auch zu Instabilitäten sowie zum örtlichen Verlöschen der Flamme führen kann. Die korrekte Beschreibung dieses Verbrennungsverhaltens erfordert entsprechende physikalisch und chemisch motivierte Modelle für diese spezielle Gasatmosphäre. Deshalb sollen bis zum Projektende des Sonderforschungsbereichs/Transregio die folgenden Erkenntnisse, Daten und Modelle zur Verfügung stehen: (1) Belastbare Modelle durch grundlegendes Verständnis der beteiligten Prozesse und deren Abhängigkeit von den jeweiligen Einflussparametern, von der Mikroskala bis hin zur skalenübergreifenden Interaktion, (2) Basisdaten zur Vorhersage der Wärmeübertragung von der Flamme an die Wände und Einbauten in Kraftwerkskesseln mit Oxyfuel-Atmosphäre, (3) Verlässliche Berechnungsgrundlagen für die Entwicklung und Auslegung von Brennern und Feuerräumen für Oxyfuel-Kraftwerke mit Feststoffverbrennung. Im Sonderforschungsbereich/Transregio arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der RWTH Aachen, Ruhr-Universität Bochum und TU Darmstadt zusammen.

Sonderforschungsbereich Transregio 129 (SFB TRR): Oxyflame - Entwicklung von Methoden und Modellen zur Beschreibung der Reaktion fester Brennstoffe in einer Oxyfuel-Atmosphäre, Teilprojekt B05: Robuste absorptionsspektroskopische Diagnosemethoden für Kohlestaubverbrennungs-prozesse: Verfahren zur Bestimmung von Gasspezies, Gastemperaturen und der Partikelbeladung

Auf Basis verschiedener absorptionsspektroskopischer Methoden werden neue, robuste, probennahmefreie in-situ-Messtechniken entwickelt, die unter den Bedingungen turbulenter Kohlestaubfeuerungen eine Bestimmung prozessrelevanter Gasspezies (H2O, CO, CO2, C2H2 oder HCl) sowie der Gastemperatur ermöglichen, um diese dann für die experimentelle Validierung von Verbrennungsmodellen sowie für die Regelung von Oxyfuel-Prozessen nutzbar zu machen. Hierzu werden an unterschiedlichen hierarchisch aufgebauten Brennerkonfigurationen unter zunehmend komplexeren, thermochemischen Randbedingungen (ein-/zweiphasig, nicht-reaktiv/chem.-reaktiv) Oxyfuel-Bedingungen untersucht und die Erkenntnisse sukzessive auf technische Feuerungsanlagen übertragen sowie für deren Prozessoptimierung nutzbar gemacht.

Sonderforschungsbereich Transregio 129 (SFB TRR): Oxyflame - Entwicklung von Methoden und Modellen zur Beschreibung der Reaktion fester Brennstoffe in einer Oxyfuel-Atmosphäre, Teilprojekt C01: Experimentelle Untersuchung der Kohlestaubverbrennung zur Validierung numerischer Simulationen

Zur Validierung numerischer Simulationen werden Oxyfuel-Kohlestaubflammen mit unterschiedlichen Messtechniken detailliert hinsichtlich Strömungsfeld, Temperaturen, Gaszusammensetzung und Reaktionszonen untersucht. Dazu werden zunächst die Randbedingungen dieser Flammen definiert. Die bisher nicht an der Versuchsanlage eingesetzten Messtechniken werden an diese angepasst. Weiterhin wird zur genauen Bestimmung der Partikeltemperatur ein bestehendes Zwei-Farben-Pyrometer weiterentwickelt und eingesetzt. Zusätzlich wird ein Experiment zur Bestimmung der Gasstrahlung in Oxyfuel-Feststoffverbrennung konzipiert.

Einfluss der Hackgutqualität auf die Emissionsentstehung unter Prüfstandsbedingungen (HG eta Em-Prüfstand)

Ziel des Projektes 'HG eta Em-Prüfstand' ist die Untersuchung des Brennstoffeinflusses auf die Emissionen von Hackgut-Kleinfeuerungsanlagen unter stationären Prüfbedingungen am Prüfstand. Ergänzend zum Projekt 'PrüfReal- bench tests', bei dem der Schwerpunkt auf Brennstoffqualitäten von Holzpellets lag, soll im Zuge von 'HG eta Em-Prüfstand' erhoben werden, welche Auswirkungen Änderungen der chemischen Zusammensetzung des Brennstoffes Holzhackgut auf das Emissionsverhalten im Voll- und Teillastbetrieb haben. Zur Ermittlung der Daten sind Verbrennungsversuche am Kesselprüfstand der BLT Wieselburg mit unterschiedlichen Kesseltypen und unterschiedlichen Brennstoffqualitäten geplant. Die Variation der Brennstoffqualität bezieht sich im Wesentlichen auf die aerosolbildenden Bestandteile, den Aschegehalt aber auch auf den Wassergehalt und die Korngröße der Partikel. Dazu werden Verbrennungsversuche mit mind. 2 Feuerungsanlagen und mind. 3 unterschiedlichen Brennstoffen am Prüfstand gemäß den Anforderungen der 'ÖNORM EN 303-5:2012-10: Heizkessel - Teil 5: Heizkessel für feste Brennstoffe, manuell und automatisch beschickte Feuerungen, Nennwärmeleistung bis 500 kW - Begriffe, Anforderungen, Prüfungen und Kennzeichnung' durchgeführt. Neben dem Einfluss der Brennstoffqualität soll im Zuge des Projekts auch die Wirkung von Sekundärmaßnahmen zur Reduktion der Staubemissionen ermittelt werden. Dazu ist geplant die verwendeten Feuerungsanlagen mit unterschiedlichen Entstaubungstechnologien auszustatten und dessen Wirkung in Abhängigkeit der Brennstoffqualität messtechnisch zu erfassen. Weiteres Ziel des Projektes 'HG eta Em-Prüfstand' ist die theoretische Hochrechnung des Einsparungspotentiales von Staubemissionen durch die Optimierung der Hackgutqualität bzw. durch den Einsatz von Sekundärmaßnahmen zur Rauchgasreinigung. Durch unterschiedliche Szenarien soll unter Berücksichtigung der derzeit installierten Hackgutheizungen die theoretischen Einsparungspotentiale in Abhängigkeit der Brennstoffqualität dargestellt werden. Darüber hinaus sollen in einer wirtschaftlichen Betrachtung die Vor- und Nachteile von hoher und niedriger Brennstoffqualität bzw. Sekundärmaßnahmen gegenübergestellt werden. Bei den Hackgutfeuerungen, die im Rahmen des geplanten Projekts untersucht werden, wird normalerweise bei Einsatz eines Elektrofilters als Sekundärmaßnahme zur Partikelabscheidung diese Filterasche mit der Rostasche gemeinsam ausgetragen. Die Schwermetallgehalte der anfallenden Aschen werden im Rahmen des Projekts untersucht. Bei größeren Biomassefeuerungen wird die E-Filterasche, in der die Schwermetalle angereichert sind, getrennt entsorgt. Im Rahmen des Projekts werden folgende Punkte bearbeitet: - Kurzer Abriss der rechtlichen Situation - Interviews mit Betreibern bezüglich der anfallenden Menge dieser Filteraschefraktion - Gegebenenfalls Analysen der Schwermetallgehalte von Filteraschen.

Regelungen für bestehende Einzelraumfeuerungsanlagen unter Verwendung fester Brennstoffe Arten von Einzelraumfeuerungsanlagen Zulässige Brennstoffe Grenzwerte und Nachrüstverpflichtungen Antike Öfen Offene Kamine Grundöfen Herde, Backöfen, Küchenöfen, Heizungsherde Sonstige Einzelraumfeuerungsanlagen Nachrüstung von Staubminderungseinrichtungen

Mit Ende des Jahres 2024 müssen nach den "Regelungen für Einzelraumfeuerungsanlagen unter Verwendung von Feststoffen" alte Einzelraumfeuerungsanlagen Außerbetrieb genommen bzw. nachgerüstet werden. Welche Einzelraumfeuerungsanlagen betroffen sind, wird nachfolgend beschrieben. Unter Einzelraumfeuerungsanlage versteht man eine Feuerungsanlage, die vorrangig zur Beheizung des Aufstellraumes verwendet wird. Dazu zählen: offene Kamine vor Ort gesetzte Grundöfen Herde und Backöfen, Küchenöfen Industriell gefertigte Speicheröfen, Specksteinöfen Kaminöfen Kamineinsätze, Kachelofeneinsätze oder vergleichbare Ofeneinsätze Pelletöfen Saunaöfen Als feste Brennstoffe dürfen folgende Regelbrennstoffe eingesetzt werden, sofern die Feuerungsanlage nach Angaben des Herstellers für deren Einsatz geeignet ist: Steinkohlen, nicht pechgebundene Steinkohlenbriketts, Steinkohlenkoks Braunkohlen, Braunkohlenbriketts, Braunkohlenkoks Brenntorf, Presslinge aus Brenntorf Grill-Holzkohle, Grill-Holzkohlebriketts nach DIN EN 1860, Ausgabe September 2005 naturbelassenes stückiges Holz einschließlich anhaftender Rinde, insbesondere in Form von Scheitholz und Hackschnitzeln, sowie Reisig und Zapfen naturbelassenes nicht stückiges Holz, insbesondere in Form von Sägemehl, Spänen und Schleifstaub, sowie Rinde Presslinge aus naturbelassenem Holz in Form von Holzbriketts nach DIN 51731, Ausgabe Oktober 1996, oder in Form von Holzpellets nach den brennstofftechnischen Anforderungen des DINplus-Zertifizierungsprogramms „Holzpellets zur Verwendung in Kleinfeuerstätten nach DIN 51731-HP 5“, Ausgabe August 2007, sowie andere Holzbriketts oder Holzpellets aus naturbelassenem Holz mit gleichwertiger Qualität Stroh und ähnliche pflanzliche Stoffe (nur in automatisch beschickten Feuerungsanlagen, die im Rahmen der Typprüfung mit den jeweiligen Brennstoffen geprüft wurden) Die rechtlichen Rahmenbedingungen (z.B. einzuhaltende Emissionsgrenzwerte, Überprüfung durch Schornsteinfeger, einzusetzende Brennstoffe) sind in der 1. BImSchV festgeschrieben (Verordnung über kleine und mittlere Feuerungsanlagen). Im Folgenden sind Informationen zu den geltenden Anforderungen der verschiedenen Feuerungsanlagen zusammengestellt. Ansprechpartner für den benötigten Nachweis sind die Schornsteinfegerinnen und Schornsteinfeger. Fachfragen beantworten auch die Umweltämter der Landkreise und der kreisfreien Städte. (Kontaktdaten rechts). Antike Öfen Errichtung oder Herstellung vor 01.01.1950 keine Nachrüst- oder Außerbetriebnahmeverpflichtung Offene Kamine dürfen nur gelegentlich betrieben werden (weniger als 30 Tage im Jahr) zugelassene Brennstoffe: naturbelassenes, stückiges Holz Holzbriketts nach DIN 51731 keine Nachrüst- oder Außerbetriebnahmeverpflichtung Grundöfen Grundöfen sind Wärmespeicheröfen aus mineralischen Speichermaterialien, die an Ort und Stelle handwerklich gesetzt werden. Errichtung bis einschließlich 31.12.2014 Keine Nachrüst- oder Außerbetriebnahmeverpflichtung Errichtung ab 01.01.2015 Ausstattung mit nachgeschalteter Einrichtung zur Staubminderung nach dem Stand der Technik, es sei denn, sie halten folgende Grenzwerte ein: Feuerstättenart CO [g/m³] Staub [g/m³] Grundöfen 1,25 0,04 Der Nachweis über die Einhaltung der Grenzwerte kann entweder durch eine Prüfstandsmessbescheinigung des Herstellers, oder durch eine Messung vor Ort durch einen Schornsteinfeger geführt werden. Herde, Backöfen, Küchenöfen, Heizungsherde Errichtung bis einschließlich 21.03.2010 bei nichtgewerblichem Gebrauch und einer Nennwärmeleistung unter 15 kW besteht keine Nachrüst- oder Außerbetriebnahmeverpflichtung Errichtung ab 22.03.2010 bis einschließlich 31.12.2024 Feuerstättenart CO [g/m³] Staub [g/m³] Herde 3,0 0,075 Heizungsherde 3,5 0,075 Errichtung ab 01.01.2025 Feuerstättenart CO [g/m³] Staub [g/m³] Herde 1,5 0,04 Heizungsherde 1,5 0,04 Sonstige Einzelraumfeuerungsanlagen Alle Feuerstättenarten, die in der Tabelle bislang nicht genannt wurden (z.B. Kamin- und Pelletöfen, Kachelofeneinsätze) unterliegen den folgenden Regelungen. Errichtung bis einschließlich 21.03.2010 Weiterbetrieb nur unter Einhaltung folgender Grenzwerte: Feuerstättenart CO [g/m³] Staub [g/m³] Einzelraumfeuerung 4,0 0,15 Der Nachweis über die Einhaltung der Grenzwerte kann entweder durch eine Prüfstandsmessbescheinigung des Herstellers, oder durch eine Messung vor Ort durch einen Schornsteinfeger geführt werden. Kann ein solcher Nachweis nicht geführt werden (Grenzwerte werden nicht eingehalten), sind die Feuerungsanlagen zu folgenden Zeitpunkten mit einer Einrichtung zur Reduzierung der Staubemissionen nach dem Stand der Technik nachzurüsten oder außer Betrieb zu nehmen. Datum auf Typenschild Zeitpunkt der Nachrüstung oder Außerbetriebnahme Bis einschließlich 31.12.1974 oder nicht mehr feststellbar 31.12.2014 01.01.1975 bis 31.12.1984 31.12.2017 01.01.1985 bis 31.12.1994 31.12.2020 01.01.1995 bis einschließlich 21.03.2010 31.12.2024 Errichtung ab 22.03.2010 bis einschließlich 31.12.2014 Einhaltung folgender Grenzwerte: Feuerstättenart CO [g/m³] Staub [g/m³] Mindestwirkungsgrad [%] Raumheizer mit Flachfeuerung 2,0 0,075 73 Raumheizer mit Füllfeuerung 2,5 0,075 70 Speicheröfen, Kamineinsätze 2,0 0,075 75 Kachelofeneinsätze mit Flachfeuerung 2,0 0,075 80 Kachelofeneinsätze mit Füllfeuerung 2,5 0,075 80 Pelletöfen ohne Wassertasche 0,40 0,05 85 Pelletöfen mit Wassertasche 0,40 0,03 90 Der Nachweis über die Einhaltung der Grenzwerte wird durch eine Prüfstandsmessbescheinigung des Herstellers (Typprüfung) geführt. Errichtung ab 01.01.2015 Einhaltung folgender Grenzwerte: Feuerstättenart CO [g/m³] Staub [g/m³] Mindestwirkungsgrad [%] Raumheizer mit Flachfeuerung 1,25 0,04 73 Raumheizer mit Füllfeuerung 1,25 0,04 70 Speicheröfen, Kamineinsätze 1,25 0,04 75 Kachelofeneinsätze mit Flachfeuerung 1,25 0,04 80 Kachelofeneinsätze mit Füllfeuerung 1,25 0,04 80 Pelletöfen ohne Wassertasche 0,25 0,03 85 Pelletöfen mit Wassertasche 0,25 0,02 90 Der Nachweis über die Einhaltung der Grenzwerte wird durch eine Prüfstandsmessbescheinigung des Herstellers (Typprüfung) geführt. Wie in der obenstehenden Tabelle dargestellt, müssen einige Feuerungsanlagen mit einer Staubminderungsanlage nach dem Stand der Technik (Staubabscheider) nachgerüstet werden, damit sie die geforderten (Staub-)Grenzwerte einhalten und weiter betrieben werden können. Ein Staubabscheider darf nur verwendet werden, wenn für ihn eine Bauartzulassung vorliegt. Die Bauartzulassung wird i.d.R. vom Deutschen Institut für Bautechnik (DIBt) erteilt, welches auch eine Liste an zugelassenen Staubabscheidern auf seiner Internetseite veröffentlicht ( Staubabscheider für Feuerungsanlagen | DIBt - Deutsches Institut für Bautechnik ). Um dem Stand der Technik zu entsprechen, muss der Staubabscheider einen Staubabscheidegrad von mindestens 50 % erreichen (VDI 3670:2016). Für Einzelraumfeuerungsanlagen werden in der Regel elektrostatische Abscheider oder filternde Abscheider genutzt. Der Einbau eines Staubabscheiders sollte frühzeitig mit dem zuständigen Schornsteinfeger abgestimmt und von einem Schornsteinbau- oder Ofenbaufachbetrieb durchgeführt werden, um sicher zu gehen, dass alle Anforderungen erfüllt sind. Neue Einzelraumfeuerungsanlagen werden sowohl als Kompaktanlagen mit integrierten Emissionseinrichtungen (Staubabscheider, Katalysator) als auch Öfen mit separatem Zubehör für die Rauchgasreinigung vertrieben. Auf dem deutschen Markt dürfen nur Einzelraumfeuerungsanlagen angeboten werden, die für das Gesamtsystem, das heißt Ofen gemeinsam mit Emissionsminderungseinrichtung, die Typprüfung nachweislich bestanden haben. Bei der Beschaffung (z. B. über den internationalen Online-Handel) ist darauf zu achten, dass eine Ofenanlage mit dem gegebenenfalls notwendigen Zubehör für die Rauchgasreinigung erworben wird.

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