Ablauf der Holzverbrennung

Auszug aus dem 'Handbuch Bioenergie Kleinanlagen' (8MB)
Dr. Hans Hartmann

Die Verbrennung von pflanzlicher Biomasse umfasst eine  Reihe  verschiedener  physikalischer  und  chemischer  Prozesse,  von  der  Trocknung  über  die  Vergasung durch partielle Luftzufuhr bis hin zur anschließenden Oxidation von brennbaren Gasen und festem Kohlenstoff. In Bereichen des Feuerraumes ohne Luftzufuhr  können  lokal  auch  Prozesse  der  Pyrolyse anstelle  der  Vergasungsprozesse  auftreten. 

Zusammenfassend  kann  der  Vorgang  in  einer  Festbettverbrennung  im Wesentlichen  durch  folgende Teilprozesse  beschrieben  werden,  wobei  sich  die Betrachtungen zur Vereinfachung nur auf die Hauptbrennstoffbestandteile C, H und O beziehen /5-7/:
  • Erwärmung  des  Brennstoffs  durch  Rückstrahlung von Flamme, Glutbett und Feuerraumwänden
  • Trocknung des Brennstoffs durch Verdampfung und Abtransport  des Wassers  bei  Temperaturen  ab  ca. 100 °C,
  • Pyrolytische Zersetzung des wasserfreien Brennstoffs durch Temperatureinwirkung bei Temperaturen ab ca. 150 °C,
  • Vergasung des wasserfreien Brennstoffs mit Sauerstoff zu  brennbaren  Gasen  (Kohlenstoffmonoxid,  Kohlenwasserstoffe)  und  festem  Kohlenstoff  (ab  ca. 250 °C),
  • Vergasung  des  festen  Kohlenstoffs mit Kohlenstoffdioxid, Wasserdampf und Sauerstoff zu Kohlenstoffmonoxid (ab ca. 500 °C),
  • Oxidation der brennbaren Gase mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser bei Temperaturen ab ca. 700 °C  bis  ca.  1.400 °C  (real)  bzw.  bis  ca.  2.000 °C (theoretisch),
  • Wärmeabgabe der Flamme an die umgebenden Feuerraumwände und den neu zugeführten Brennstoff.
In der ersten Phase wird der aufgegebene Brennstoff zunächst  erwärmt. Das  erfolgt  durch  Rückstrahlung von der Flamme, dem Glutbett und den Feuerraumwänden aber auch durch Konvektion und Wärmeleitung  im Brennstoff. Die Verdampfung des  anhaftenden  oder  eingeschlossenen Wassers  beginnt  danach hauptsächlich bei Temperaturen oberhalb von 100 °C.

Dabei  schreitet die Trocknungsfront von  außen nach innen fort, wobei die Trocknungsgeschwindigkeit von der Wärmeleitfähigkeit  abhängt.  Diese  wiederum wird  von  der  Rohdichte  und  –  bei  Holz  –  von  der Faserrichtung beeinflusst.
Während das Brennstoffteilchen innen noch trocknet,  beginnt  außen  bereits  die  pyrolytische  Zersetzung der Holzbestandteile, die durch Einwirkung  höherer Temperaturen  ausgelöst  wird.
Dabei kommt es zu einer Aufspaltung der  langkettigen organischen Verbindungen, aus denen sich lignocellulosehaltige  Biomassen  zusammensetzen  (u. a. Cellulose),  in  kürzerkettige  Verbindungen,  wobei brennbare  Gase  in  Form  von  Kohlenstoffmonoxid (CO)  und gasförmigen Kohlenwasserstoffen  (CnHm) sowie Pyrolyse-Öle (Teere) gebildet werden.
Dieser  Vorgang  benötigt  keinen  Sauerstoff.  Da Sauerstoff  aber  –  auch unter Luftabschluss  –  in  chemisch gespeicherter Form  (bei Holz  ca. 44 %  i.d.TM)  oder  durch  Luftzuführung  stets  vorhanden  ist, kommt es unmittelbar nach der Aufspal tung zu mehr oder weniger vollständigen Oxidationsreaktionen unter Wärmefreisetzung.
Um  den  Prozess  der  Entgasung  durch  diese Wärmefreisetzung  nicht  nur  in Gang  zu  halten  sondern möglichst auch in der Leistung zu steuern, wird in Feuerungsanlagen gezielt an den Ort der pyrolytischen  Zersetzung  (z. B.  Glutbett)  Luftsauerstoff  als sogenannte  „Primärluft“  zugeführt.  Bei  diesem  als Vergasung bezeichneten  Teilprozess  wird  die  benötigte Wärme aus unvollständigen Reaktionen der gasförmigen  Pyrolyseprodukte  mit  Sauerstoff  bereitgestellt.  Um  auch  die  festen  und  flüssigen Pyrolyseprodukte (Kohle, Teere) angreifen zu können, sind  im  Vergleich  zur  pyrolytischen  Zersetzung mit zum Teil über 500 °C merklich höhere Temperaturen notwendig.

Im  Teilprozess  der  Oxidation  haben  sich  die Brenngase bereits  teilweise  im Feuerraum ausgebreitet, was sich am Flammenverlauf ablesen lässt. Unter Einwirkung  von  zum  Teil  gezielt  zugeführtem  Luftsauerstoff („Sekundärluft“) findet hier eine mehr oder weniger vollständige Oxidation der freigesetzten gasförmigen Produkte CO und CnHm statt, wobei unter Bildung  von  Zwischenprodukten  (z. B. Wasserstoff) Kohlenstoffdioxid und Wasser entstehen. Der Abbau der Kohlenwasserstoffe erfolgt dabei über die Bildung von  CO  als  Zwischenprodukt,  das  in  einer  weiter gehenden  Oxidation  zu  CO2  reagiert.  Die  Verbrennung  ist  in  dieser  Phase  selbst-katalysiert  und  exotherm  (d. h. wärmefreisetzend) und sie sendet Lichtund Wärmestrahlung  aus, die  sich  in der  sichtbaren Flamme  äußert.
Die  Oxidationsreaktionen  liefern
damit die Energie  für die überwiegend endothermen (d. h.  wärmeverbrauchenden)  Vorgänge  der  Erwärmung, der Trocknung sowie der pyrolytischen Zersetzung (Abb. 5.1).
Außer  der  von  Flammenbildung  gekennzeichneten  Oxidation  ist  bei  biogenen  Festbrennstoffen ebenso  die  flammenlose  Verbrennung  bedeutsam. Diese  Oxidationsform  tritt  im  Endstadium  des Verbrennungsvorganges auf. Der als Endprodukt der pyrolytischen Zersetzung gebildete  feste Kohlenstoff (Entgasungsrückstand) wird dabei im Glutbett zuerst
vergast (Feststoffvergasung) und anschließend  in der Gasphase  aufoxidiert  /5-7/.
Als  Verbrennungsrückstand verbleibt die Asche. Bei Holzfeuerungen  ist  das  Phänomen  des  „knisternden Feuers“ bekannt. Die Ursache hierfür liegt in dem  entweichenden Wasser,  das  bei  der  Trocknung bei  hohen  Temperaturen  unter Druck  gerät  und  die Zellwände  sprengt.  Besonders  bei  den  harzreichen Nadelhölzern ist dieser Druck sehr hoch, da die Harze ab  ca.  60 °C  erweichen  und  somit  die  radialen  Leitungsbahnen  im  Holz  für  den  Wasserdampfaustritt
verstopfen.



Emissionsentstehung

Die bei der Verbrennung von Biomasse entstehenden luftgetragenen Verbrennungsprodukte können unterteilt werden  in Stoffe aus unvollständiger  und  aus  vollständiger  Verbrennung (Abb. 5.1) sowie  in Schadstoffe aus Spurenelementen bzw. Brennstoffverunreinigungen. Stoffe aus der vollständigen Oxidation der Hauptbrennstoffbestandteile (C, H, O)  sind  Kohlenstoffdioxid  (CO2) und Wasserdampf  (H2O). Sie  sind ökologisch unproblematisch, wenn das CO2  nicht aus der Verbrennung  fossiler  Brennstoffe  stammt  und  somit zum anthropogenen Treibhauseffekt beiträgt.
Stoffe  aus  unvollständiger  Oxidation  der  Hauptbrennstoffbestandteile (C, H, O) sind im Wesentlichen:
  • Kohlenstoffmonoxid (CO),
  • Kohlenwasserstoffe (CnHm, Teere),
  • Ruß (brennbarer Teil der Staubemissionen).
Kohlenmonoxid ist ein geruchloses Gas und wird – da es  leicht messbar ist  –  i.  Allg.  als  Indikator  für  die Güte einer Verbrennung verwendet. Die Kohlenwasserstoffe bilden dagegen eine Stoffgruppe mit wesentlich höheren Umwelt und  Gesundheitsrisiken,  sind geruchlich wahrnehmbar und stellen den eigentlichen Grund für Geruchsbelästigungen dar. Ruß ist dagegen ein  fein  verteilter,  meist  geflockter,  fast  reiner  (elementarer) Kohlenstoff, er wird als Syntheseprodukt in fester Form abgeschieden und ist somit der Staubfraktion zuzurechnen.
Die Ursachen für eine unvollständige Verbrennung liegen nur selten in einer ungenügenden Sauerstoffzuführung  begründet. Häufig  ist  die Verbrennungstemperatur  in  der  Ausbrandzone  (Oxidationszone)  zu gering und die Reaktionen laufen zu langsam ab. Dies ist  besonders dann  der  Fall, wenn  zu  feuchte  Brennstoffe verwendet werden. Zu einer unvollständigen Verbrennung kommt es aber auch, wenn die Verweilzeit der Reaktionspartner in  einer  solchen heißen Zone  zu  gering  ist  (z. B. auf Grund zu klein dimensionierter Feuerräume). Das ist auch bei feuchten Brennstoffen der Fall; zu hohe Wassergehalte im Brennstoff

mindern nicht nur die Verbrennungstemperatur  sondern  führen  auch  zu  einer Erhöhung  des  Abgasvolumens,  was  zwangsläufig ebenfalls  mit  einer  geringeren  Aufenthaltszeit  im Brennraum  verbunden  ist.  Außerdem  kann  die Durchmischung  der  gebildeten  Brenngase  mit  der Verbrennungsluft (Sekundärluft) ungünstig sein, weil beispielsweise  nicht  genügend  Turbulenz  im  Feuerraum  erzeugt  wird  und  die  Brenngase  somit  nicht ausreichend mit Sauerstoff in Kontakt kommen.

Um  eine möglichst  vollständige  Verbrennung  zu erreichen sind eine Reihe von  technischen Bedingungen zu erfüllen, die u. a. in Kapitel 6 dargestellt sind. Die Freisetzung von Produkten einer unvollständigen Verbrennung lässt sich anhand von Abb. 5.1 nachvollziehen.

Zu  den  Schadstoffemissionen  aus  Spurenelementen  bzw. Verunreinigungen zählen  luftgetragene Aschepartikel  (d. h.  der  nichtbrennbare  Teil  der Staubemissionen),  Schwermetalle  (z. B.  Cu,  Pb,  Zn,Cd),  Schwefel-,  Chlor- und  Kaliumverbindungen (d. h.  SO2,  HCl,  KCl),  Dioxine  und  Furane  sowie Stickstoffverbindungen  (d. h. NO, NO2, HCN, NH3,N2O).

Eine besondere Bedeutung haben hierbei die Stickoxidemissionen  NO  und  NO2 (zusammengefasst NOx).  Sie  entstehen  im  Wesentlichen  aus  dem  im Brennstoff gebundenen Stickstoff, der von  ca. 0,15 % (Holz) über 0,45 % (Stroh) bis ca. 4 % (Rapskörner) in einem  relativ  weiten  Bereich  schwanken  kann.  Allerdings  wird  der  Brennstoffstickstoff bei  der  Verbrennung  größtenteils  in  molekularen Stickstoff  (N2)  und  nicht  zu NOx  umgewandelt.

Ein sehr  geringer  Teil  des  Stickstoffs wird  außerdem  in die Asche eingebunden.

Die  zweite wichtige NOx-Bildungsursache  ist  die Reaktion  von Luftstickstoff mit  Sauerstoff.  Hierfür müssen  aber  sehr  hohe  Temperaturen  von mehr  als 1.300 °C  vorliegen;  sie  kommen  jedoch  bei  der  Biomasseverbrennung  allenfalls  örtlich  und  kurzzeitig vor. Daher spielt dieser Bildungsmechanismus nur bei den stickstofffreien Brennstoffen wie Heizöl oder Erdgas eine größere Rolle, da hier höhere Verbrennungstemperaturen auftreten.

 

Feuerungstechnische Besonderheiten der Beschickungsarten bei Holzheizkesseln

In der Feuerungstechnik werden die beiden Gruppen der hand- und automatisch beschickten Anlagen unterschieden.  Auf  Grund  der  Unterschiede  im Feuerungsablauf  (kontinuierliche  bzw.  chargenweise Verbrennung), die die  jeweilige Art der Beschickung mit  sich  bringt, werden  diese Unterschiede  nachfolgend zunächst erläutert, bevor anschließend  in Kapitel  6 die  eigentlichen Feuerungstechniken vorgestellt werden.
In  automatisch  beschickten  Anlagen  wird  ein durch  Zerkleinerung  oder  Pelletierung  hergestellter, leicht  dosierbarer  Brennstoff  eingesetzt. Dieser  kann somit weitgehend kontinuierlich und automatisch  in den Feuerraum eingebracht werden, um einen gleich bleibenden Feuerungsbetrieb mit konstanter Leistung einzustellen.  Die gleichmäßige  Brennstoffzuführung erlaubt  eine  an  diese  Brennstoffmenge  angepasste Luftmengendosierung bei gleichbleibenden Temperaturen  im  Feuerraum.  Eine  derartige  Optimierung führt letztlich auch zu entsprechend gleichbleibenden und  relativ  geringen Schadstofffreisetzungen (Abb. 5.2).
 
Die  automatische  Zuführung  der  schüttfähigen Brennstoffe  erlaubt  außerdem eine  kontinuierliche Anpassung der Brennstoffmenge an den wechselnden Wärmebedarf. Automatisch beschickte Anlagen  sind daher  meist  über  einen  relativ  weiten  Bereich  teillastfähig  (ca.  30  bis  100 %  der Nennwärmeleistung). Wärmespeicher  zur  Überbrückung  von  Phasen  mit niedriger  Wärmenachfrage können  deshalb  relativ klein  dimensioniert  oder  –  unter  bestimmten  Bedingungen – auch ganz weggelassen werden.
Im  Vergleich  zu  Anlagen  mit  automatischer Beschickung  weisen  diskontinuierlich  von  Hand beschickte  Feuerungen  ausgeprägte  Schwankungen im  zeitlichen  Verlauf  der  Verbrennungsqualität  auf. Dies  gilt  insbesondere für  Anlagen  ohne  Gebläse („Naturzuganlagen“),  zu  denen  die  meisten  Einzelfeuerstätten  zählen  (Kapitel  6).  Hier wechseln  die Randbedingungen  der Verbrennung  zwischen  zwei Nachlegezeitpunkten  erheblich. Mit  dem Einschichten  einer  neuen  Brennstofffüllung  bewirkt  der  kalte und  noch feuchte  Brennstoff  sowie  das  Öffnen  der Fülltür zunächst eine Abkühlung.
Gleichzeitig nimmt das  Füllvolumen  im  Feuerraum  während  der anschließenden  kontinuierlichen  Abbrandphase  ab,weshalb man  auch  vom „Chargenabbrand“  spricht.
Mit dem veränderlichen Füllvolumen ändert sich bei vielen  Feuerungsbauarten auch  die  Verweilzeit  der gebildeten  Brenngase.  Die  sich  ständig  ändernden Verbrennungsbedingungen  lassen  sich  an  der  Konzentration  des  gebildeten  Kohlenstoffdioxids  (CO2) und des Kohlenstoffmonoxids (CO) im Abgas ablesen (Abb. 5.2).

Für  die  abbrandphasenbezogene  Dosierung  der Luftzufuhr  ergeben  sich  hieraus  bestimmte  Konsequenzen  (Kapitel  6).  Diese  lassen  sich  am  besten umsetzen, wenn  ein Gebläse  verwendet wird, durch welches  die  Luftmenge  an den  momentanen Verbrennungszustand angepasst werden kann. Durch geeignete Feuerungskonstruktionen  wird  außerdem versucht – wie bei automatisch beschickten Anlagen – einen möglichst gleichmäßigen Abbrand mit konstanter Leistung  und  geringen Emissionen  zu  erreichen.
Das Nachlegen des Brennstoffs und das veränderliche Füllvolumen  sollen  dabei einen  möglichst  geringen Störeinfluss ausüben. Ein Feuerungsprinzip, bei dem diese Forderungen auch  bei  handbeschickten  Feuerungen  besonders konsequent umgesetzt wurden, stellt der sogenannte „untere Abbrand“  dar. Hier nimmt  nur  die  unterste Schicht  des  Brennstoffbetts  an  der  Verbrennung teil.  Der  Verlauf  der  CO2-  und  CO-Konzentration  im Abgas  (Abb. 5.2, Mitte) zeigt eine gute Annäherung  an  den  weitgehend  gleich  bleibenden Betriebszustand einer  automatisch beschickten Feuerung.