Emissionsminderung bei Holzfeuerungen – Katalysatorarten, deren Einbau & Wirkungsweise

Emissionsminderung bei Holzfeuerungen – Katalysatorarten, deren Einbau & Wirkungsweise
Vermehrt halten Katalysatoren Einzug in Holzfeuerungen. Am h?ufigsten sichtbar wird dies bei Einzelraumfeuerungen wie Kamin?fen, Kamineins?tzen und Kachel?fen.

Das Thema Emissionsminderung an Holzfeuerungen ist nach wie vor aktuell. Seit der ?berarbeitung der 1. BImSchV im Jahre 2010 ist dies auch allen Betreibern von Kleinfeuerungsanlagen bewusst.
Der Schornsteinfeger hat im Rahmen der Feuerst?ttenschau die Einzelraumfeuerung begutachtet und eingestuft. Etliche Einzelraumfeuerungen haben bereits die Frist zum Austausch oder zur Nachr?stung erreicht und der Betreiber ist zur Handlung verpflichtet.

Eine sehr gute M?glichkeit zur Emissionsminderung an Einzelraumfeuerungen sind Katalysatoren.
Sie k?nnen in Einzelraumfeuerungen direkt in den Brennraum integriert werden oder sie werden auf dem Abgasstutzen installiert als Nachr?stl?sung.
Wir wollen hier beschreiben, welche Aufgabe Katalysatoren im Rahmen der Emissionsminderung wahrnehmen k?nnen, welche Arten von Katalysatoren es gibt und wo man diese f?r eine gute Wirkung in oder nach Einzelraumfeuerungen ein- bzw. anbauen kann.
Die bei Einzelraumfeuerungen anfallenden Emissionen sind haupts?chlich Staub, Kohlenstoffmonoxid (CO) und organische kohlenstoffartige Verbindungen (OGC). F?r alle 3 Emissionen sieht der Gesetzgeber in den entsprechenden Normen und Vorschriften Grenzwerte vor. Abh?ngig vom Typ der Einzelraumfeuerung und vom verwendeten Brennstoff kommen unterschiedliche Normen zur Geltung. Die Grenzwerte f?r die Immissionen regelt die 1. BImSchV mit den auf den Anwendungsfall zu beziehenden Grenzwerten.
CO- und OGC-Emissionen k?nnen durch aufoxidieren reduziert werden. Beim Aufoxidieren werden die CO- und OGC-Emissionen mit Sauerstoff in Verbindung gebracht, sodass CO zu CO2 reagiert, OGC reagiert zu CO2 und k?rzeren Ketten von CnHm. Diese Oxidation unter Nutzung des Umgebungssauerstoffs erfolgt nur bei entsprechend hohen Temperaturen, die zur Reaktion notwendig sind. Im Brennraum in der Nachverbrennungszone unterhalb der Flammprallplatte streichen die emissionsreichen Abgase ?ber die Flammenspitze hinweg. Unter Zugabe von Sekund?rluft reagieren die Emissionen zu den zuvor beschriebenen Reaktionsprodukten. Auf dem weiteren Weg der Abgase durch die Holzfeuerung k?hlen diese recht schnell ab und es kommt zu keiner weiteren Reaktion zwischen CO bzw. OGC und Sauerstoff.
Hier setzt der Blue Fire Katalysator an. Blue Fire Katalysatoren setzen die Aktivierungsenergie der Emission CO und OGC herab. Sie werden durch Kontakt mit der katalytischen Oberfl?che des Blue Fire Katalysators wieder in die Lage versetzt, mit Sauerstoff in Verbindung zu treten, obwohl die Umgebungstemperatur f?r eine solche Oxidation bereits zu gering ist.
M?glich macht ein Katalysator dies durch die spezielle katalytische Beschichtung.
Die Blue Fire Katalysatoren sind speziell f?r die Anwendung in Holzabgasen entwickelt worden. Der Fokus der Entwicklung lag dabei auf einer sehr hohen Temperaturstabilit?t der katalytischen Beschichtung. Beim Anz?nden von Holzfeuerungen kommt es immer wieder zu langen Flammen, die kurzzeitig bis ins Abgasrohr vordringen. Solche langen Flammen schlagen also auch am Katalysator an und sollten die katalytische Beschichtung dabei nicht besch?digen.
M?glich macht dies eine f?r den Anwendungsfall Holzfeuerung entwickelte Beschichtung aus Mischmetalloxiden. Diese Grundbeschichtung erzielt selbst schon gute Umsatzraten zur CO- und OGC-Minderung. Diese Wirkung kann man jedoch noch unterst?tzen, indem man Edelmetalle auf die katalytische Oberfl?che gibt. Wichtig ist dabei aber, dass die Edelmetalle in sehr kleiner Form – in Nanogr??e – sehr gleichm??ig auf der Katalysatoroberfl?che verteilt werden. Je gleichm??iger die Edelmetalle auf der Oberfl?che verteilt sind, umso einfacher ist es, f?r das durch den Katalysator str?mende Abgas, mit einer in die Oberfl?che eingebetteten Edelmetallzelle in Kontakt zu kommen.
Durch den kurzzeitigen Kontakt zwischen Abgas und katalytischer Oberfl?che kommt es zur Reduzierung der Aktivierungsenergie und die Emissionen CO- bzw. OGC sind wieder in der Lage, mit Sauerstoff zu reagieren. Es kommt zu der gew?nschten Oxidation von CO zu CO2 bzw. von CnHm zu CO2 und k?rzeren CnHm-Ketten.
Die Auswahl der Edelmetalle sowie deren Mischungsverh?ltnis sind ebenso wichtig, wie die sehr gleichm??ige Verteilung der Edelmetalle auf der Katalysatoroberfl?che. Es gibt Edelmetalle, die besonders gut zur Emissionsminderung von den genannten CO- und OGC-Emissionen genutzt werden k?nnen. Es gibt aber auch andere Edelmetalle, die zur Anlagerung von Sauerstoff an der Katalysatoroberfl?che genutzt werden k?nnen. Weitere eignen sich besser zur Anwendung in Benzin- oder Dieselabgasen. Wieder andere Edelmetalle und deren Mischungen werden f?r die Verwendung in Katalysatoren f?r Gas- oder Biogasemissionen genutzt.
Bei der Auswahl der Edelmetalle und der Mischungsverh?ltnisse kommt die Erfahrung des Katalysatorherstellers ins Spiel. Wichtig ist, dass f?r die verschiedenen Anwendungsf?lle Forschungsarbeiten und gro?es Wissen vorliegen. Bei Blue Fire ist dies im Bereich f?r Emissionen aus Holzfeuerungen der Fall. Blue Fire kann dabei auf die Expertise der beiden Muttergesellschaften ETE EmTechEngineering GmbH und Emission Partner GmbH & Co. KG zur?ckgreifen. Das Konsortium verf?gt ?ber mehr als 20 Jahre Beschichtungserfahrung. Die Firmen sind eng vernetzt mit angesehenen deutschen Forschungseinrichtungen und betreiben mit diesen aktiv Forschungsprojekte zur Weiterentwicklung der Katalysatortechnologie f?r k?nftige Anwendungen.
F?r die Auslegung der geeignetsten katalytischen Beschichtung sind Kenntnisse der Abgastemperatur, der Str?mungsgeschwindigkeit und die Zusammensetzung der Abgase wichtig. Selbstverst?ndlich sind als Emissionsminderungsziel die gesetzlichen Vorgaben bzw. Grenzwerte oder evtl. eigene Ziele von au?erordentlicher Bedeutung. Soweit die Beschreibung der Wirkungsweise an der katalytischen Oberfl?che und der grundlegenden chemischen Zusammenh?nge.

Neben der katalytischen Beschichtung des Katalysators ist jedoch auch der Tr?ger des Katalysators von entscheidender Bedeutung. F?r Emissionen aus Holzfeuerungen sind sehr gute Minderungsergebnisse mit keramischen Schwammtr?gern nachgewiesen worden. Insbesondere bei Holzfeuerungen, die mit nat?rlichem Schornsteinzug betrieben werden, eignen sich keramische Schwammtr?ger sehr gut, da sie einen nur geringen abgasseitigen Widerstand darstellen. Es gibt diese keramischen Schwammtr?ger in unterschiedlichen Dicken und Por?sit?ten, sodass man mit der Auswahl des keramischen Schwammtr?gers auf die Druckverh?ltnisse im Abgassystem und der Feuerung R?cksicht nehmen kann. Bei Systemen in denen nur ein sehr geringer Druckverlust zu verkraften ist, empfiehlt sich die Anwendung von keramischen Schwammtr?gern mit einer nur geringen Dicke von z. B. 18 mm und einer Por?sit?t von 10 ppi (Pores per Inch). Bei Systemen, die einen h?heren Druckverlust erlauben, kann auch mit kleineren Poren und gr??eren Materialdicken gearbeitet werden. In jedem Fall sind die Katalysatoren f?r jeden einzelnen Anwendungsfall mit Tests zu erproben, um diese ideal auf die jeweilige Feuerung abzustimmen.

Keramische Schwammtr?ger zeichnen sich dadurch aus, dass die Abgase bei der Durchstr?mung der Schwammstruktur relativ stark umgelenkt werden. Die Str?mung bleibt im Katalysator mit Schwammtr?ger noch laminar, sie wird aber in der Str?mungsrichtung deutlich abgelenkt, um m?glichst viele Oberfl?chenkontakte mit der keramischen Schwammstruktur zu erm?glichen. Durch die Str?mungsumlenkung im Schwammkatalysator wird ein Druckverlust erzeugt. Dieser liegt bei Schwammkatalysatoren bei 0,5 – 1 Pa.
Solche Schwammtr?ger werden durch die keramische Beschichtung von PU-Sch?umen hergestellt.
Die PU-Sch?ume werden w?hrend des Herstellungsprozesse ausgebrannt.

Keramische Bauteile werden nach der Beschichtung getrocknet und gebrannt. Dabei schwinden diese. Die Schwindung ist von vielen Faktoren abh?ngig. Sie wird aus der Erfahrung der Hersteller eingestellt, sodass relativ ma?haltige Geometrien erzeugt werden k?nnen. Allerdings unterliegen diese gr??eren Toleranzen als man es sonst in der Ofenherstellung/Metallverarbeitung kennt.
Haltesysteme m?ssen daher so ausgelegt werden, dass diese die Fertigungstoleranzen der keramischen Bauteile ber?cksichtigen.
Staub setzt sich an der Anstr?mseite der Schwammkatalysatoren ab. Durch die vorhandene Str?mung des Abgases bilden sich in der angelagerten Staubschicht Str?mungskan?le. Das Anlagern von trockenem Staub f?hrt nicht zur Verblockung der Schwammkatalysatoren. Kohlenstoffhaltige Anteile im angelagerten Staub werden durch den Kontakt zur katalytischen Oberfl?che mithilfe von Sauerstoff aus der Verbrennungsluft zu CO2 umgesetzt. Durch diesen Effekt wird das Gewicht des angelagerten Staubes reduziert. Der abgeschiedene Staub muss in Zeitintervallen von der Anstr?mfl?che des Schwammkatalysators entfernt werden. Dies geschieht recht einfach durch Absaugen mithilfe eines Staubsaugers und einem B?rstenaufsatz oder alternativ mit einem Pinsel oder einem Handfeger. Blue Fire Schwammkatalysatoren k?nnen aufgrund ihrer besonderen Beschichtung auch mit Wasser abgesp?lt werden.

Keramische Wabenk?rper aus unterschiedlichen keramischen Werkstoffen eignen sich ebenfalls als Katalysatortr?ger. Wabenk?rper gibt es in unterschiedlichsten Zellgr??en- und Zellausf?hrungen. Wabenk?rper funktionieren immer in der Art, dass das Abgas in einen kleinen “Tunnel” einstr?mt, diesen durchstr?mt und dabei immer wieder die “Tunnelwand” ber?hrt. Der gesamte Wabenk?rper ist mit katalytisch aktiver Beschichtung ?berzogen. Das Abgas wird bei der Durchstr?mung nur sehr wenig von der Str?mungsrichtung abgelenkt. Aufgrund der kaum abgelenkten Str?mung bleibt diese im Wabenk?rper-Katalysator laminar. Die Wirksamkeit der Wabenk?rper-Katalysatoren h?ngt von der Wirkl?nge der Wabenk?rper ab. Je l?nger diese sind, umso mehr M?glichkeiten hat das Abgas Kontakt mit der Wandung der Zelle aufzunehmen. Je l?nger diese Strukturen werden, umso h?her wird aber auch der Druckverlust. Es gilt also in Versuchen die ideale L?nge des Wabenk?rpers zu ermitteln, sodass die als Ziel definierten Emissionsminderungen noch erreicht werden und der Druckverlust durch den Katalysator im vertretbaren Bereich bleibt. Wichtig ist auch, die Zellgr??e auf die Zusammensetzung des Abgases abzustimmen. Abgas, was stark mit Partikeln und Staub verunreinigt ist, kann kleine Zellen sehr schnell blockieren. Bei stark verunreinigtem Abgas empfiehlt sich die Nutzung von gr??eren Zellen. Wabenk?rper-Katalysatoren sind anf?lliger f?r Blockierungen als Schwammkeramikkatalysatoren.
Bez?glich der Toleranzen und der Schwindung gilt das Gleiche wie es bei den Schwammkeramiken bereits beschrieben wurde. Bez?glich der Herstellung gibt es aber Unterschiede. Wabenk?rper sind extrudierte Bauteile, die aus einer Form gepresst werden. Es gibt Standardabmessungen in g?ngigen Gr??en und Zelligkeiten, man kann aber auch individuelle Formen anfertigen.
Keramische F?llk?rper wie Sattelk?rper oder Pall-Ringe sind ebenfalls als Katalysatortr?ger geeignet.

Sattelk?rper werden in einer nicht geordneten Sch?ttung angewendet. Dabei bilden sich unterschiedlich gro?e durchstr?mbare Kan?le. Die Oberfl?che von solchen Sattelk?rper-Sch?ttungen ist sehr gro?, und sie sorgen f?r h?ufige Kontakte zwischen Abgas und Katalysatoroberfl?che. Die Por?sit?t ist allerdings eher undefiniert. Sie kann sich auch innerhalb der Sch?ttung durch Zusammenrutschen w?hrend der Nutzung ?ndern. Nachteilig bei Sattelk?rpersch?ttungen ist, dass diese entweder in der Feuerung selbst einen Raum ben?tigen der die Sch?ttung abgrenzt oder alternativ kann auch ein leicht durchstr?mbares Geh?use f?r die Sch?ttung, in den Abgasweg der Feuerung integriert werden. Abh?ngig vom keramischen Werkstoff der Sattelk?rper muss der Slurry des Katalysators f?r eine optimale Beschichtbarkeit abgestimmt werden.

Neben Sattelk?rpern sind weitere keramische F?llk?rper verf?gbar, die alternative Geometrien aufweisen. Die meisten dieser geometrischen K?rper sind auch aus metallischen Werkstoffen erh?ltlich. Grunds?tzlich w?rden diese sich zur katalytischen Beschichtung eignen. Die Werkstoffkombination aus Grundwerkstoff und katalytischer Beschichtung muss jedoch vorher erprobt werden.
Ein besonderer F?llk?rper als Katalysatortr?ger ist der Pall-Ring. Dieser ist aus keramischen und aus metallischen Werkstoffen verf?gbar. Dieser Tr?ger muss exakt in der Str?mung ausgerichtet werden. Die Ringe m?ssen in der Art eines Rohres durchstr?mt werden k?nnen. Die Durchmesser der Pall-Ringe sind im Vergleich zu den Zellen eines Wabenk?rpers viel gr??er. Sie neigen daher nicht zum Blockieren bei der Anwendung in stark verunreinigtem Abgas. Aus der Au?enwand des Pall-Ringes sind kleine Arme in die Mitte des Ringes eingeformt. An diesen Armen und an der Innenwandung findet ein Kontakt des Abgases mit der katalytischen Oberfl?che statt. Abh?ngig von der Ausf?hrung des Haltesystems f?r die Pall-Ringe, kann auch deren Au?enfl?che von Abgas umstr?mt werden. Die katalytische Wirkung der Pall-Ringe ist aufgrund der leichten und relativ ungehinderten Durchstr?mbarkeit geringer als bei Schwammkatalysatoren oder Wabenk?rperkatalysatoren.

Metallsch?ume aus St?hlen, Kupfer, Nickel oder anderen Metallen sind eine weitere Alternative als Katalysatortr?ger. Die Geometrie und die Definition ist identisch zu denen der keramischen Schwammtr?ger. Metalle leiten etwas besser die W?rme als Keramiken. Solche Metallschaumkatalysatoren heizen sich daher etwas schneller auf als keramische Schwammkatalysatoren. Der zeitliche Unterschied des fr?heren Erreichens der Light-Off-Temperatur des Katalysators ist abh?ngig von der Anordnung des Katalysators im Abgasweg. Der Einsatz von Metallschaumkatalysatoren ist derzeit noch gering, weil die Kosten f?r diese Katalysatortr?ger gr??er sind als f?r vergleichbare keramische Schwammtr?ger. Das Thema Verblockung und Druckverlust ist identisch zu dem von keramischen Schwammtr?gern.

Metallgestricke aus metallischen Werkstoffen eignen sich sehr gut als Katalysatortr?ger. Durch die unterschiedlichen Strickungen sind viele verschiedene Geometrien und Por?sit?ten herstellbar. Zus?tzlich kann auch die Drahtdicke und die Bauteildicke variiert werden. Die Gestricke k?nnen sehr ma?haltig gefertigt werden. Hinzu kommt, dass Metallgestricke zus?tzlich kalibriert werden k?nnen, z.B. durch einen Pressvorgang. Dabei k?nnen auch Geometrien erzeugt werden, die sehr individuell auf die Erfordernisse der Anwendung R?cksicht nehmen k?nnen.
Das Aufheizverhalten ist ebenso positiv wie bei den Metallsch?umen. Die Verblockungsgefahr ist so zu sehen wie bei Schwammtr?gern. Die Kosten f?r Metallgestricke sind h?her als f?r keramische Schwammtr?ger, insbesondere, wenn noch Prozesse zur Kalibrierung oder Individualisierung nachgeschaltet werden.
Metallwickeltr?ger sind einfach herstellbar. Sie k?nnen in runden und eckigen Formen gefertigt werden. Das Herstellungsverfahren kann unterschiedliche Por?sit?ten erzeugen. Es gibt dazu unterschiedliche Falzwerkzeugs?tze. Beim Metallwickeltr?ger werden sehr d?nne Metallfolien verwendet. Eine Folie wird trapezf?rmig gefalzt, die zweite Folie bleibt geraden. Beide Folien werden ?bereinandergelegt und schneckenf?rmig aufgewickelt. Bei eckigen Geometrien werden diese Doppellagen gelegt und geb?ndelt. Die L?nge von solchen Metallwickeltr?gern ist frei w?hlbar.
Diese Tr?ger sind eine Kombination aus den Vorteilen von Metalltr?gern und der Geometrie ?hnlich wie Wabenk?rper. Sie wirken in gleicher Weise, wie dies bei den Wabenk?rpern beschrieben wurde. Der Nachteil ist, dass auch diese Katalysatortr?ger bei stark verunreinigtem Abgas leichter zum Blockieren neigen als dies bei Schwammstrukturen der Fall ist. Metallwickeltr?ger sind kosteng?nstig herstellbar, da nur sehr d?nne Folien zur Anwendung kommen und somit der Materialeinsatz gering gehalten wird.
Alle katalytischen Beschichtungen m?ssen immer auf den jeweiligen Tr?ger abgestimmt werden.

Die Slurry (Beschichtungsmasse) muss hinsichtlich Viskosit?t und Benetzungseigenschaften auf den jeweiligen Katalysatortr?ger abgestimmt werden. Zudem muss die Slurry auf den Werkstoff des Katalysatortr?gers abgestimmt werden, damit die Slurry eine dauerhaft feste Verbindung mit der Tr?gerstruktur aufnehmen kann. Schlie?lich muss der Ofenprozess, der der Beschichtung nachfolgt, auf den Katalysatortr?ger, die Zusammensetzung und die Eigenschaften der Slurry sowie auf den sp?teren Anwendungsfall des Katalysators abgestimmt werden.
Hinzukommen kann auch noch eine Vorbehandlung des Katalysatortr?gers, beispielsweise durch einen vorgeschalteten Ofenprozess, um den Tr?ger optimal f?r den Beschichtungsprozess einzustellen.
Sie erkennen, dass es bei der Entwicklung und Herstellung von Katalysatoren sehr viele Parameter zu ber?cksichtigen gilt. Deshalb sollten Katalysatoren immer in der Anwendung unter realen Bedingungen erprobt und getestet werden, um optimale und auf den Anwendungsfall abgestimmte Emissionsminderungen zu erreichen.
Die Blue Fire GmbH macht Ihnen die Auswahl der geeigneten Katalysatoren f?r Ihre Holzfeuerung einfacher, indem Standard-Katalysatoren vorbereitet und zur Erprobung ab Lager verf?gbar sind.
Die Standard-Katalysatoren haben immer die Abmessungen 155 mm x 120 mm x 18 mm und sind in den 3 g?ngigsten katalytischen Beschichtungen erh?ltlich.
Die Beschichtung des Typs “hot” ist f?r die Anwendungen in sehr hei?en Abgasen oberhalb von 450 ?C sehr gut geeignet. Die Beschichtung des Typs “Medium” hat den gr??ten Temperaturarbeitsbereich und eignet sich sehr gut f?r Abgastemperaturen zwischen 250 ?C und 800 ?C. Schlie?lich ist noch die Beschichtung des Typs “Blue Max” verf?gbar, die sehr gut f?r niedrige Abgastemperaturen verwendet werden kann. Der Edelmetallanteil dieser Standardbeschichtung ist um das 4-Fache h?her als beim Typ “Medium”. Dadurch k?nnen auch bei abgek?hlten Abgastemperaturen oberhalb 200?C noch sehr gute CO- und OGC-Minderungen erzielt werden.
Selbstverst?ndlich kann die katalytische Beschichtung sowie der jeweilige Katalysatortr?ger exakt auf Ihren Anwendungsfall abgestimmt werden.
F?r welchen Katalysatortr?ger Sie sich auch entscheiden oder f?r welche katalytische Beschichtung, sprechen Sie die Ingenieure der Blue Fire GmbH an und profitieren Sie von der langj?hrigen Erfahrung unseres Unternehmensverbundes.

Wir beraten Sie speziell auf Ihren Anwendungsfall bezogen und finden gemeinsam mit Ihnen eine L?sung zur emissionsseitigen Optimierung Ihrer Feuerung.
Einen kleinen Einblick ?ber uns, erhalten Sie unter Blue Fire.

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