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/:
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.
EmissionsentstehungDie 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:
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 HolzheizkesselnIn 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.
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