Holzvergaserkessel

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Geschichte der Sanitär-, Heizungs-, Klima- und Solartechnik
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Holzvergaserkessel sind zum Verbrennen von Holzscheiten bis zu einer Länge von ca. 50 cm konstruiert. Deswegen werden sie auch Scheitholz-Vergaser genannt. Einige Hersteller bieten auch Kessel an, die zusätzlich Holzbriketts und Hackgut verbrennen können.
Wenn es um das Heizen mit Holz geht, dann ist ein Holzvergaserkessel die umweltfreundlichste Art der Holzverbrennung, weil das Holz quasi mit einer Gasflamme verbrennt. Das Holz wird durch die im Betrieb entstehende Verbrennungswärme kontinuierlich vergast.
Phasen der Holzvergasung
Quelle: Dipl. Ing. HTL P. Liebi – Liebi LNC AG
Die 3 Phasen der Holzverbrennung
  •  Erwärmung und Trocknung
  •  Entgasung und thermische Zersetzung (Pyrolyse)
  •  Verbrennung
Die Primärluft wird in der Glutphase zur Unterhaltung der Pyrolyse und zur Oxidation der Holzkohle zugeführt. Nach der Glutzone werden die brennbaren Gase mit der Sekundärluft zur anschließenden Oxidation vermischt.
Holzvergaserkessel
Quelle: Liebi LNC AG
Quelle: Paul Künzel GmbH & Co.
Der Kesselinnenraum ist durch eine Brennerplatte aus feuerfester Keramik in eine Ober- und Unterkammer (Holzfüllraum und Brennkammer) geteilt. In der oberen Kammer wird das Scheitholz auf der Brennerplatte geschichtet. Diese Kammer ist nach oben geschlossen und hat nur die Einfüllöffnung.
Nach dem Anfeuern verdampft durch die Wärme des brennenden Holzes zunächst die Feuchtigkeit (Restfeuchte) aus dem Holz. Danach setzt die Holzvergasung ein. Die leichten Gas-Bestandteile werden bereits oberhalb der Brennerplatte vorverbrannt. Die Verbrennungsgase gelangen dann mit den noch unverbrannten Gasbestandteilen durch die auf der Brennerplatte liegende glühende Holzkohle nach unten in die Brennkammer. Hier werden auch die schwer brennbaren Anteile der Holzgase bei einer Temperatur von ca. 1100 °C verbrannt. Die Rauchgase werden dann aus der unteren Brennkammer außen vorbei an der oberen Brennkammer oben zum Rauchgasanschluss geführt. Deswegen werden diese Kessel Sturzbrandofen genannt.
Die Zufuhr der Verbrennungsluft wird in Primär- und Sekundärluft aufgeteilt. Die Primärluft wird der Oberkammer (Holzfüllraum) zugeführt, damit wird die Vergasung und somit die Kesselleistung gesteuert. Die Sekundärluft wird dem Holzgas in der Unterkammer (Brennkammer) zur vollständigen Verbrennung zugeführt. Die Einstellung der Primär- und Sekundärluftzufuhr erfolgt stets getrennt. Die Luftmengen werden je nach Hersteller und Bauart manuell eingestellt oder elektronisch geregelt. Kesseln mit elektronischer Regelung werden entweder nur der Saugzugventilator bzw. das Druckgebläse drehzahlgeregelt, oder zusätzlich die Menge der Sekundärluft geregelt, wozu der Restsauerstoffgehalt der Abgase permanent mit einer Lambdasonde gemessenen werden muss
Wenn das Gebläse ausfällt, dann stauen sich die heißen Abgase in dem nach oben geschlossenen Holzfüllraum und der Ofen geht aus bzw. er lässt sich nicht anfeuern.
Auch der Holzvergaserkessel benötigt eine Rücklaufanhebung, damit sich keine aggressiven Kondensate und Teerablagerungen (Glanzruß) bilden, die bei Rücklauftemperaturen über 55 °C vermieden werden. Bei einer Glanzrußbildung besteht die Gefahr eines Schornsteinbrandes. Außerdem muss eine thermische Ablaufsicherung (TAS) eingebaut werden.
Holzvergaserkessel sollten grundsätzlich mit einem Pufferspeicher (100 Liter pro kW Kesselleistung) betrieben werden.
Lambdasonde
Die Verbrennung von Holz und Holzpellets ist auf Grund der schwankenden Eigenschaften der Brennstoffe schwierig und nicht gleichbleibend. Diese schwankenden Verbrennungsabläufe müssen durch eine technische Einrichtung, der Lambdasonde, unterstützt werden. Diese mischt über die Messung des Restsauerstoffs im Abgas die optimale Primär- und Sekundärluftmenge zur Verbrennung bei. Bei der Verbrennung von Erdgas und Heizöl ist eine solche Einrichtung nicht notwendig, da diese Brennstoffe immer die gleichen Eigenschaften haben und sie arbeitet, ein einmal richtig eingestellt, bis zur nächsten Wartung (einmal jährlich) einwandfrei.
Da die Abgastemperatur ist kein Maßstab für die Qualität der Verbrennung ist, wird eine Lambdasonde eingesetzt. Diese misst in den Abgas-/Rauchgasen den Restsauerstoff und baut eine elektrische Spannung auf, die über eine Elektronik auswertet, und die Lüftermotoren oder Lüfterklappen steuert. Durch diese Regelungsart kann der Wirkungsgrad auch bei wechselnden Brennstoffen (Scheitholz, Pellets, Hackschnitzel, Industriepellets) gleichmäßig hoch gehalten werden.
Lambdasonde
Quelle: RegeTec

Der von der Lambdasonde ermittelte Messwert gibt an, wie vollständig bzw. unvollständig das Holz in der Reaktionszone des Heizkessels verbrennt. Der Sauerstoffgehalt der Verbrennungsluft wird mit dem Restsauerstoff im Abgas verglichen. An den Elektroden entsteht eine elektrische Spannung (Millivoltbereich), wenn eine Differenz besteht. Diese wird über ein Spannungssignal an das Steuergerät weitergegeben. Das Steuergerät korrigiert dann Lüfterdrehzahl und Luftklappenstellung.

Die Luftzahl bzw. der Lambdawert ist das Verhältnis der tatsächlich zugeführten Luftmenge zum theoretischen Luftbedarf.  Also ist  λ = 1 die zugeführte Luftmenge entspricht dem theoretischen Luftbedarf.
Bauteile der Lambdasonde
Quelle: RegeTec
LambdaCheck® - Dipl. Ing. Harald Buß
Eine Lambdasonde besteht aus einem Spezialkeramikkörper, dessen Oberflächen mit gasdurchlässigen Platinelektroden versehen sind. Der Festelektrolyt ist in einem Stahlgehäuse eingebracht. Der äußere Teil des Keramikkörpers befindet sich im Abgasstrom, der innere Teil steht mit der Außenluft in Verbindung. Die Wirkung der Sonde baut auf folgendende physikalischen Faktoren auf:
  •  das keramische Material ist porös und lässt so eine Diffusion des Luftsauerstoffs zu
  •  die Keramik wird bei Temperaturen von ca. 300° leitend
Die Lambdasonde arbeitet prinzipiell wie ein galvanisches Element, nur dass sie nicht mit flüssigen, sondern einen festen Elektrolyten (Zirkondioxyd [ZrO2]), arbeitet. Dieser lässt ab 300 °C Sauerstoffionen durch, sperrt jedoch gegen Durchlass für Elektronen. Die Sauerstoffionen wandern von innen (Außenluft) nach außen (Abgas), weil im Abgas eine geringere Konzentration (geringerer Partialdruck) von Sauerstoff besteht. Die vorher abgestreiften Elektronen, werden von einer elektrisch leitenden Schicht aufgefangen. So bildet sich auf der Innenseite der Sonde ein Elektronenüberschuss und auf der Außenseite, wo die Sauerstoffionen ankommen, ein Elektronenmangel (elektrische Spannung). Diese wird über Leitungen zur Auswertung zum Steuergerät geleitet. Die Ionenwanderung verursacht ein sprunghaften Anstieg der Sondenspannung, was zur Lambdaregelung (Spannungssprungsonden) benutzt wird.
Prinzip der Lambdasonde
Quelle: RegeTec
Damit die Sonde schnell auf Betriebstemperatur kommt, werden beheizte Sonden eingesetzt. Diese weisen nicht nur einen, sondern drei bzw. vier elektrische Anschlüsse auf. Bei Sonden mit drei elektrischen Anschlüssen wird die Masse für das Heizelement herausgeführt. Bei Sonden mit vier Anschlüssen sind Signalmasse und Heizelementmasse getrennt. Dadurch werden Störungen vermieden, die durch Korrosion und Dichtungen an den Masseverbindungen auftreten können. Quelle: RegeTec
 
Wasserführender Naturzug-Holzvergaserofen
Im Gegensatz zu den Kaminöfen mit oberen Abbrand gibt es auch Naturzugvergaser mit unterem Abbrand (Sturzbrandofen). Diese Öfen arbeiten ohne Druckgebläse bzw. Saugzugventilator und somit auch ohne Elektroanschluss.
Der Ofen hat zwei Brennkammern. In der oberen Kammer wird das Holz angezündet und die dabei entstehenden heißen Gase werden in die untere Kammer geleitet, mit Sekundärluft angereichert und bei hohen Temperaturen nachverbrannt. Über die heißen Rauchgase wird das Heizungswasser aufgeheizt.


Prinzip des Naturzugvergaserofens
Quelle: Wallnöfer H.F. GmbH


Vollautomatischer Scheitholzkessel
Quelle: ZACH GmbH
Dieser vollautomatische Scheitholzkessel wird als Weltneuheit angeboten. Er hat eine automatische Beschickung mit Halbmeterscheitern. Der Vorratsbehälter ermöglicht 1 Woche selbstständigen Betrieb. Der Heizraum muss über 10 m2 und der Holzlagerraum über 7 m2 groß sein.
Leider habe ich noch keine technischen Unterlagen.

 

 

Holzvergasung
Das Ziel der Vergasung ist es, durch thermodynamische Umwandlung, aus Festbrennstoffen zunächst ein Brenngas zu erzeugen, dass dann in einem zweiten Schritt zur direkten Erzeugung mechanischer Energie, so z. B. im Verbrennungsmotor, Stirlingmotor, eingesetzt werden kann.
Schematische Darstellung der Vergasung (Gleichstromvergaser)
Quelle: M. Kaltschmitt, H. Hartmann - Energie aus Biomasse
Bei der thermodynamische Umwandlung laufen verschiedene physikalisch-chemische Prozesse ab. Durch Pyrolyse oder Teilverbrennung unter Luftmangel (unterstöchiometrische Verbrennung) entsteht aus Biomasse ein brennbares Gas. Dieses aus Festbrennstoffen produzierte Gas wird als Produktgas, Schwachgas, Holzgas oder auch Synthesegas bezeichnet. Die Vergasung liefert Wärme und das Produktgas, das als Hauptkomponenten Kohlenstoffmonoxid (CO), Kohlenstoffdioxid (CO2), Wasserstoff (H2), Methan (CH4), Wasserdampf (H2O), sowie bei der Vergasung mit Luft als Vergasungsmittel, auch erhebliche Anteile an Stickstoff (N2) enthält.
Als unerwünschte Nebenprodukte entstehen in unterschiedlichen Mengen Teere bzw. Kondensate (langkettige organische Verbindungen), Asche und Staub. Die Zusammensetzung des Produktgases ist abhängig vom eingesetzten Brennstoff, von der Art und Menge des Vergasungsmittels, vom Temperaturniveau, der Reaktionszeit und den Druckverhältnissen im Vergasungsreaktor.
Der Vergasungsprozess im Reaktor lässt sich in folgende Bereiche aufteilen:
      •  Aufheizung und Trocknung
      •  Pyrolytische Zersetzung
      •  Oxidation

Aufheizung und Trocknung. Die Biomasse wird zunächst aufgeheizt. Dabei verdampft das mit Biomasse in den Reaktor eingebrachte Wasser bis zu einem Temperaturniveau von ca. 200 °C.

Pyrolytische Zersetzung. Nach der Aufheizung und Trocknung der Biomasse erfolgt bei Temperaturen zwischen 150 und 500 °C eine thermisch induzierte pyrolytische Zersetzung der Makromoleküle, aus denen die Biomasse besteht. Hierbei entstehen gasförmige Kohlenwasserstoffverbindungen, Pyrolyse-Öle und Pyrolysekoks.

Oxidation. Bei der Oxidation werden die entstandenen gasförmigen, flüssigen und festen Produkte durch weitere Wärmeeinwirkung zur Reaktion mit Sauerstoff gebracht. Dadurch wird eine Erhöhung der Temperatur auf über 500 °C bewirkt. Dabei werden der Koks und ein Teil der höheren Kohlenwasserstoffverbindungen in kleinere gasförmige Moleküle (CO, H2, H2O, CO2 und CH4) gespalten. Partiell kommt es zur Verbrennung von Kohlenstoff.

Reduktion. Bei der Reduktion wird der Hauptteil der brennbaren Bestandteile des Produktgases gebildet. Die bei der Oxidation entstehenden Verbrennungsprodukte Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser (H2O) werden dabei mit festem Kohlenstoff zu Kohlenstoffmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) reduziert.
Durch die Zufuhr von Luft wird ein Teil des festen Kohlenstoffs oder des Kohlenstoffmonoxids (CO) verbrannt. Diese Reaktionen sind bis zu einem gewissen Grade erwünscht, da durch die für den gesamten Vergasungsprozess benötigte Wärme bereitgestellt wird. Die stark exotherme Oxidation von Kohlenstoffmonoxid (CO) zu Kohlenstoffdioxid (CO2) und die Knallgasreaktion, sowie die Oxidation von Methan (CH4) unter Abspaltung von Wasserstoff (H2) sind bei der Vergasung dagegen unerwünscht, da sie zu einer Verminderung des Heizwertes des produzierten Produktgases führen.
Durchschnittliche Holzgaszusammensetzung
Quelle: Bernd Joos - holzgas.com
Holzvergaserofen
 

 
Holzvergaserofen (Pyrokocher)
Quelle: www.Sampada.de - Norbert Wielgosch



Schema -
Holzvergaserofen (Pyrokocher)
Quelle: Journal für Terroirwein und Biodiversität - Lukas Bühler und Hans-Peter Schmidt

In dem Holzvergaserofen (Pyrokocher) werden nicht nur Holz, sondern auch sämtliche biologische Abfallstoffe als Brennstoff verwendet. Dabei entsteht Biokohle (Holzkohle). Diese kann zur Bodenverbesserung benutzt und damit zur Verbesserung der Nahrungsmittelproduktion eingesetzt werden.
Der Ofen besteht aus zwei ineinander geschobenen Zylindern. Der innere Zylinder ist die nach oben offene Pyrolysekammer. Am jeweils oberen und unteren Ende der Zylinderaußenwand sind Löcher gebohrt, aus denen das brennbare Gas aus- bzw. einströmen kann.
Der äußere Zylinder umschließt den inneren und schließt ihn am oberen Ende luftdicht ab. Am unteren Ende des äußeren Zylinders befinden sich Öffnungen, durch die Außenluft für die Verbrennung angesaugt wird. Das Ansaugen kann, wie in der nebenstehenden Grafik dargestellt, durch einen Ventilator unterstützt und reguliert werden, was aber nicht unbedingt nötig ist. Im Grunde lässt sich solch ein Ofen aus zwei alten Blechbüchsen, einem Bohrer und einem Lötkolben herstellen.
Der innere Zylinder wird mit vorgetrockneter Biomasse (Gemüseschalen, Zweige, Trockenmist etc) befüllt und mit etwas Zunder oben angezündet. Durch den Luftstrom, der in der äußeren Kammer nach oben fließt, werden die Pyrolysegase in der inneren Kammer nach unten gesaugt. Durch die unten angebrachten Löcher treten die Gase in die äußere Kammer, wo sie mit Luft vermischt nach oben steigen, um dort oberhalb des Brennstoffs wieder in die innere Kammer einzutreten. Am oberen Ende des inneren Zylinders verbrennen die Gase mit sehr sauberer Flamme und ohne Rußbildung.
Der Vorgang hält solange an, bis die gesamte Biomasse des inneren Zylinders zu Biokohle umgewandelt ist und die Flamme erlischt. Ist die Verkohlungstemperatur von ca. 400 °C jedoch einmal erreicht, kann für eine längere Brenndauer problemlos zusätzliches Brennmaterial in den inneren Zylinder nachgeschüttet werden.
Die großen Vorteile von Pyrolysekochern sind die saubere Verbrennung, die hohe Variabilität der Brennstoffe und die Gewinnung von Biokohle. Die Vermeidung der hohen Luftbelastung, wie sie durch ein offenes Feuer in einem geschlossenen Raum entsteht, wäre ein beträchtlicher Fortschritt. Gehören Rauchgasvergiftungen doch noch heute in vielen Ländern zu den häufigsten Todesursachen. Quelle: Journal für Terroirwein und Biodiversität - Lukas Bühler und Hans-Peter Schmidt

Kochen mit Bioabfällen und dabei Kohle produzieren - Ithaka – Journal für Terroir, Biodiversität und Klimafarming

Taupunkt der Rauchgase

Die Temperatur,  bei der wasserdampfhaltige Gase Wasserdampf auskondensieren, nennt man Taupunkt. Es kommt zur Tauwasserbildung. Der Taupunkt ist von der Brennstoffart und dem Luftüberschuss (CO2-Gehalt)  abhängig. Auch mit dem Schwefelgehalt des Brennstoffes steigt der Taupunkt (Säuretaupunkt) an.

Die meisten Ab- bzw. Rauchgase haben Abgasbestandteile, die sich im Wasser lösen und es sauer machen. Deshalb muss der Taupunkt (Taupunkttemperatur) immer an der Schornsteinmündung noch vorhanden sein. Nur bei den Brennwertanlagen findet die Kondensation im Wärmeerzeuger bzw. im Ab- oder Rauchgassystem statt. Diese Bauteile sind dann korrosionsbeständig ausgeführt.
Die Taupunkttemperatur der Abgase ist um so höher, je höher der Wasser- und Wasserstoffgehalt des Brennstoffes ist.

Taupunkt für Wasserdampf bei verschiedenen Brennstoffen in Abhängigkeit
vom Luftverhältnis (CO2-Gehalt)

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