Emissionsminderung bei Holzfeuerungen – Arten von Katalysatoren, deren Einbau und Wirkungsweise

Vermehrt halten Katalysatoren Einzug in Holzfeuerungen. Am häufigsten sichtbar wird dies bei Einzelraumfeuerungen wie Kaminöfen, Kamineinsätzen und Kachelöfen. Wie diese Katalysatoren wirken, welche unterschiedlichen Katalysatoren es gibt und wo diese eingebaut werden, beschreibt dieser Artikel.

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

Eine sehr gute Möglichkeit zur Emissionsminderung an Einzelraumfeuerungen sind Katalysatoren.
Sie können in Einzelraumfeuerungen direkt in den Brennraum integriert werden oder sie werden auf dem Abgasstutzen installiert als Nachrüstlösung.

Wir wollen hier beschreiben, welche Aufgabe Katalysatoren im Rahmen der Emissionsminderung wahrnehmen können, welche Arten von Katalysatoren es gibt und wo man diese für eine gute Wirkung in oder nach Einzelraumfeuerungen ein- bzw. anbauen kann.

Die bei Einzelraumfeuerungen anfallenden Emissionen sind hauptsächlich Staub, Kohlenstoffmonoxid (CO) und organische kohlenstoffartige Verbindungen (OGC). Für alle 3 Emissionen sieht der Gesetzgeber in den entsprechenden Normen und Vorschriften Grenzwerte vor. Abhängig vom Typ der Einzelraumfeuerung und vom verwendeten Brennstoff kommen unterschiedliche Normen zur Geltung. Die Grenzwerte für die Immissionen regelt die 1. BImSchV mit den auf den Anwendungsfall zu beziehenden Grenzwerten.

CO- und OGC-Emissionen können 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 kürzeren 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 über die Flammenspitze hinweg. Unter Zugabe von Sekundärluft reagieren die Emissionen zu den zuvor beschriebenen Reaktionsprodukten. Auf dem weiteren Weg der Abgase durch die Holzfeuerung kühlen 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 Oberfläche des Blue Fire Katalysators wieder in die Lage versetzt, mit Sauerstoff in Verbindung zu treten, obwohl die Umgebungstemperatur für eine solche Oxidation bereits zu gering ist.

Möglich macht ein Katalysator dies durch die spezielle katalytische Beschichtung. Die Blue Fire Katalysatoren sind speziell für die Anwendung in Holzabgasen entwickelt worden. Der Fokus der Entwicklung lag dabei auf einer sehr hohen Temperaturstabilität der katalytischen Beschichtung. Beim Anzünden 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 beschädigen.
Möglich macht dies eine für 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 unterstützen, indem man Edelmetalle auf die katalytische Oberfläche gibt. Wichtig ist dabei aber, dass die Edelmetalle in sehr kleiner Form - in Nanogröße – sehr gleichmäßig auf der Katalysatoroberfläche verteilt werden. Je gleichmäßiger die Edelmetalle auf der Oberfläche verteilt sind, umso einfacher ist es für das durch den Katalysator strömende Abgas, mit einer in die Oberfläche eingebetteten Edelmetallzelle in Kontakt zu kommen.
Durch den kurzzeitigen Kontakt zwischen Abgas und katalytischer Oberfläche 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 gewünschten Oxidation von CO zu CO2 bzw. von CnHm zu CO2 und kürzeren CnHm-Ketten.
Die Auswahl der Edelmetalle sowie deren Mischungsverhältnis sind ebenso wichtig wie die sehr gleichmäßige Verteilung der Edelmetalle auf der Katalysatoroberfläche. Es gibt Edelmetalle, die besonders gut zur Emissionsminderung von den genannten CO- und OGC-Emissionen genutzt werden können. Es gibt aber auch andere Edelmetalle, die zur Anlagerung von Sauerstoff an der Katalysatoroberfläche genutzt werden können. Weitere eignen sich besser zur Anwendung in Benzin- oder Dieselabgasen. Wieder andere Edelmetalle und deren Mischungen werden für die Verwendung in Katalysatoren für Gas- oder Biogasemissionen genutzt.
Bei der Auswahl der Edelmetalle und der Mischungsverhältnisse kommt die Erfahrung des Katalysatorherstellers ins Spiel. Wichtig ist, dass für die verschiedenen Anwendungsfälle Forschungsarbeiten und großes Wissen vorliegen. Bei Blue Fire ist dies im Bereich für Emissionen aus Holzfeuerungen der Fall. Blue Fire kann dabei auf die Expertise der beiden Muttergesellschaften ETE EmTechEngineering GmbH und Emission Partner GmbH & Co. KG zurückgreifen. Das Konsortium verfügt über mehr als 20 Jahre Beschichtungserfahrung. Die Firmen sind eng vernetzt mit angesehenen deutschen Forschungseinrichtungen und betreiben mit diesen aktiv Forschungsprojekte zur Weiterentwicklung der Katalysatortechnologie für künftige Anwendungen.

Für die Auslegung der geeignetsten katalytischen Beschichtung sind Kenntnisse der Abgastemperatur, der Strömungsgeschwindigkeit und die Zusammensetzung der Abgase wichtig. Selbstverständlich sind als Emissionsminderungsziel die gesetzlichen Vorgaben bzw. Grenzwerte oder evtl. eigene Ziele von außerordentlicher Bedeutung. Soweit die Beschreibung der Wirkungsweise an der katalytischen Oberfläche und der grundlegenden chemischen Zusammenhänge.

Neben der katalytischen Beschichtung des Katalysators ist jedoch auch der Träger des Katalysators von entscheidender Bedeutung. Für Emissionen aus Holzfeuerungen sind sehr gute Minderungsergebnisse mit keramischen Schwammträgern nachgewiesen worden. Insbesondere bei Holzfeuerungen, die mit natürlichem Schornsteinzug betrieben werden, eignen sich keramische Schwammträger sehr gut, da sie einen nur geringen abgasseitigen Widerstand darstellen. Es gibt diese keramischen Schwammträger in unterschiedlichen Dicken und Porösitäten, sodass man mit der Auswahl des keramischen Schwammträgers auf die Druckverhältnisse im Abgassystem und der Feuerung Rücksicht nehmen kann. Bei Systemen in denen nur ein sehr geringer Druckverlust zu verkraften ist, empfiehlt sich die Anwendung von keramischen Schwammträgern mit einer nur geringen Dicke von z.B. 18 mm und einer Porösität von 10 ppi (Pores per Inch). Bei Systemen, die einen höheren Druckverlust erlauben, kann auch mit kleineren Poren und größeren Materialdicken gearbeitet werden. In jedem Fall sind die Katalysatoren für jeden einzelnen Anwendungsfall mit Tests zu erproben, um diese ideal auf die jeweilige Feuerung abzustimmen.
Keramische Schwammträger zeichnen sich dadurch aus, dass die Abgase bei der Durchströmung der Schwammstruktur relativ stark umgelenkt werden. Die Strömung bleibt im Katalysator mit Schwammträger noch laminar, sie wird aber in der Strömungsrichtung deutlich abgelenkt, um möglichst viele Oberflächenkontakte mit der keramischen Schwammstruktur zu ermöglichen. Durch die Strömungsumlenkung im Schwammkatalysator wird ein Druckverlust erzeugt. Dieser liegt bei Schwammkatalysatoren bei 0,5 – 1 Pa.
Solche Schwammträger werden durch die keramische Beschichtung von PU-Schäumen hergestellt. Die PU-Schäume werden während des Herstellungsprozesse ausgebrannt. Keramische Bauteile werden nach der Beschichtung getrocknet und gebrannt. Dabei schwinden diese. Die Schwindung ist von vielen Faktoren abhängig. Sie wird aus der Erfahrung der Hersteller eingestellt, sodass relativ maßhaltige Geometrien erzeugt werden können. Allerdings unterliegen diese größeren Toleranzen als man es sonst in der Ofenherstellung / Metallverarbeitung kennt. Haltesysteme müssen daher so ausgelegt werden, dass diese die Fertigungstoleranzen der keramischen Bauteile berücksichtigen.
Staub setzt sich an der Anströmseite der Schwammkatalysatoren ab. Durch die vorhandene Strömung des Abgases bilden sich in der angelagerten Staubschicht Strömungskanäle. Das Anlagern von trockenem Staub führt nicht zur Verblockung der Schwammkatalysatoren. Kohlenstoffhaltige Anteile im angelagerten Staub werden durch den Kontakt zur katalytischen Oberfläche 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 Anströmfläche des Schwammkatalysators entfernt werden. Dies geschieht recht einfach durch Absaugen mithilfe eines Staubsaugers und einem Bürstenaufsatz oder alternativ mit einem Pinsel oder einem Handfeger. Blue Fire Schwammkatalysatoren können aufgrund ihrer besonderen Beschichtung auch mit Wasser abgespült werden.

Keramische Wabenkörper aus unterschiedlichen keramischen Werkstoffen eignen sich ebenfalls als Katalysatorträger. Wabenkörper gibt es in unterschiedlichsten Zellgrößen- und Zellausführungen. Wabenkörper funktionieren immer in der Art, dass das Abgas in einen kleinen „Tunnel“ einströmt, diesen durchströmt und dabei immer wieder die „Tunnelwand“ berührt. Der gesamte Wabenkörper ist mit katalytisch aktiver Beschichtung überzogen. Das Abgas wird bei der Durchströmung nur sehr wenig von der Strömungsrichtung abgelenkt. Aufgrund der kaum abgelenkten Strömung bleibt diese im Wabenkörper-Katalysator laminar. Die Wirksamkeit der Wabenkörper-Katalysatoren hängt von der Wirklänge der Wabenkörper ab. Je länger diese sind, umso mehr Möglichkeiten hat das Abgas Kontakt mit der Wandung der Zelle aufzunehmen. Je länger diese Strukturen werden, umso höher wird aber auch der Druckverlust. Es gilt also in Versuchen die ideale Länge des Wabenkörpers 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 Zellgröße 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 größeren Zellen. Wabenkörper-Katalysatoren sind anfälliger für Blockierungen als Schwammkeramikkatalysatoren.
Bezüglich der Toleranzen und der Schwindung gilt das Gleiche wie es bei den Schwammkeramiken bereits beschrieben wurde. Bezüglich der Herstellung gibt es aber Unterschiede. Wabenkörper sind extrudierte Bauteile, die aus einer Form gepresst werden. Es gibt Standardabmessungen in gängigen Größen und Zelligkeiten, man kann aber auch individuelle Formen anfertigen.

Keramische Füllkörper wie Sattelkörper oder Pall-Ringe sind ebenfalls als Katalysatorträger geeignet.
Sattelkörper werden in einer nicht geordneten Schüttung angewendet. Dabei bilden sich unterschiedlich große durchströmbare Kanäle. Die Oberfläche von solchen Sattelkörper-Schüttungen ist sehr groß, und sie sorgen für häufige Kontakte zwischen Abgas und Katalysatoroberfläche. Die Porösität ist allerdings eher undefiniert. Sie kann sich auch innerhalb der Schüttung durch Zusammenrutschen während der Nutzung ändern. Nachteilig bei Sattelkörperschüttungen ist, dass diese entweder in der Feuerung selbst einen Raum benötigen der die Schüttung abgrenzt oder alternativ kann auch ein leicht durchströmbares Gehäuse für die Schüttung, in den Abgasweg der Feuerung integriert werden. Abhängig vom keramischen Werkstoff der Sattelkörper muss der Slurry des Katalysators für eine optimale Beschichtbarkeit abgestimmt werden.
Neben Sattelkörpern sind weitere keramische Füllkörper verfügbar, die alternative Geometrien aufweisen. Die meisten dieser geometrischen Körper sind auch aus metallischen Werkstoffen erhältlich. Grundsätzlich würden diese sich zur katalytischen Beschichtung eignen. Die Werkstoffkombination aus Grundwerkstoff und katalytischer Beschichtung muss jedoch vorher erprobt werden.
Ein besonderer Füllkörper als Katalysatorträger ist der Pall-Ring. Dieser ist aus keramischen und aus metallischen Werkstoffen verfügbar. Dieser Träger muss exakt in der Strömung ausgerichtet werden. Die Ringe müssen in der Art eines Rohres durchströmt werden können. Die Durchmesser der Pall-Ringe sind im Vergleich zu den Zellen eines Wabenkörpers viel größer. Sie neigen daher nicht zum Blockieren bei der Anwendung in stark verunreinigtem Abgas. Aus der Außenwand 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 Oberfläche statt. Abhängig von der Ausführung des Haltesystems für die Pall-Ringe, kann auch deren Außenfläche von Abgas umströmt werden. Die katalytische Wirkung der Pall-Ringe ist aufgrund der leichten und relativ ungehinderten Durchströmbarkeit geringer als bei Schwammkatalysatoren oder Wabenkörperkatalysatoren.

Metallschäume aus Stählen, Kupfer, Nickel oder anderen Metallen sind eine weitere Alternative als Katalysatorträger. Die Geometrie und die Definition ist identisch zu denen der keramischen Schwammträger. Metalle leiten etwas besser die Wärme als Keramiken. Solche Metallschaumkatalysatoren heizen sich daher etwas schneller auf als keramische Schwammkatalysatoren. Der zeitliche Unterschied des früheren Erreichens der Light-Off-Temperatur des Katalysators ist abhängig von der Anordnung des Katalysators im Abgasweg. Der Einsatz von Metallschaumkatalysatoren ist derzeit noch gering, weil die Kosten für diese Katalysatorträger größer sind als für vergleichbare keramische Schwammträger. Das Thema Verblockung und Druckverlust ist identisch zu dem von keramischen Schwammträgern.

Metallgestricke aus metallischen Werkstoffen eignen sich sehr gut als Katalysatorträger. Durch die unterschiedlichen Strickungen sind viele verschiedene Geometrien und Porösitäten herstellbar. Zusätzlich kann auch die Drahtdicke und die Bauteildicke variiert werden. Die Gestricke können sehr maßhaltig gefertigt werden. Hinzu kommt, dass Metallgestricke zusätzlich kalibriert werden können, z.B. durch einen Pressvorgang. Dabei können auch Geometrien erzeugt werden, die sehr individuell auf die Erfordernisse der Anwendung Rücksicht nehmen können.
Das Aufheizverhalten ist ebenso positiv wie bei den Metallschäumen. Die Verblockungsgefahr ist so zu sehen wie bei Schwammträgern. Die Kosten für Metallgestricke sind höher als für keramische Schwammträger, insbesondere, wenn noch Prozesse zur Kalibrierung oder Individualisierung nachgeschaltet werden.

Metallwickelträger sind einfach herstellbar. Sie können in runden und eckigen Formen gefertigt werden. Das Herstellungsverfahren kann unterschiedliche Porösitäten erzeugen. Es gibt dazu unterschiedliche Falzwerkzeugsätze. Beim Metallwickelträger werden sehr dünne Metallfolien verwendet. Eine Folie wird trapezförmig gefalzt, die zweite Folie bleibt geraden. Beide Folien werden übereinandergelegt und schneckenförmig aufgewickelt. Bei eckigen Geometrien werden diese Doppellagen gelegt und gebündelt. Die Länge von solchen Metallwickelträgern ist frei wählbar. Diese Träger sind eine Kombination aus den Vorteilen von Metallträgern und der Geometrie ähnlich wie Wabenkörper. Sie wirken in gleicher Weise, wie dies bei den Wabenkörpern beschrieben wurde. Der Nachteil ist, dass auch diese Katalysatorträger bei stark verunreinigtem Abgas leichter zum Blockieren neigen als dies bei Schwammstrukturen der Fall ist. Metallwickelträger sind kostengünstig herstellbar, da nur sehr dünne Folien zur Anwendung kommen und somit der Materialeinsatz gering gehalten wird.

Alle katalytischen Beschichtungen müssen immer auf den jeweiligen Träger abgestimmt werden. Der Slurry (Beschichtungsmasse) muss hinsichtlich Viskosität und Benetzungseigenschaften auf den jeweiligen Katalysatorträger abgestimmt werden. Zudem muss der Slurry auf den Werkstoff des Katalysatorträgers abgestimmt werden, damit der Slurry eine dauerhaft feste Verbindung mit der Trägerstruktur aufnehmen kann. Schließlich muss der Ofenprozess, der der Beschichtung nachfolgt, auf den Katalysatorträger, die Zusammensetzung und die Eigenschaften des Slurries sowie auf den späteren Anwendungsfall des Katalysators abgestimmt werden.
Hinzukommen kann auch noch eine Vorbehandlung des Katalysatorträgers, beispielsweise durch einen vorgeschalteten Ofenprozess, um den Träger optimal für den Beschichtungsprozess einzustellen.
Sie erkennen, dass es bei der Entwicklung und Herstellung von Katalysatoren sehr viele Parameter zu berücksichtigen 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 für Ihre Holzfeuerung einfacher, indem Standard-Katalysatoren vorbereitet und zur Erprobung ab Lager verfügbar sind.
Die Standard-Katalysatoren haben immer die Abmessungen 155 mm x 120 mm x 18 mm und sind in den 3 gängigsten katalytischen Beschichtungen erhältlich.
Die Beschichtung des Typs „hot“ ist für die Anwendungen in sehr heißen Abgasen oberhalb von 450°C sehr gut geeignet. Die Beschichtung des Typs „Medium“ hat den größten Temperaturarbeitsbereich und eignet sich sehr gut für Abgastemperaturen zwischen 250°C und 800°C. Schließlich ist noch die Beschichtung des Typs „Blue Max“ verfügbar, die sehr gut für niedrige Abgastemperaturen verwendet werden kann. Der Edelmetallanteil dieser Standardbeschichtung ist um das 4-Fache höher als beim Typ „Medium“. Dadurch können auch bei abgekühlten Abgastemperaturen oberhalb 200°C noch sehr gute CO- und OGC-Minderungen erzielt werden.
Selbstverständlich kann die katalytische Beschichtung sowie der jeweilige Katalysatorträger exakt auf Ihren Anwendungsfall abgestimmt werden. Für welchen Katalysatorträger Sie sich auch entscheiden oder für welche katalytische Beschichtung, sprechen Sie die Ingenieure der Blue Fire GmbH an und profitieren Sie von der langjährigen Erfahrung unseres Unternehmensverbundes.
Wir beraten Sie speziell auf Ihren Anwendungsfall bezogen und finden gemeinsam mit Ihnen eine Lösung zur emissionsseitigen Optimierung Ihrer Feuerung.