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HAPERO Re2 15kW02 - 35kW04

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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¬† √ľber¬† die¬† Vergasung durch partielle Luftzufuhr bis hin zur anschlie√üenden Oxidation von brennbaren Gasen und festem Kohlenstoff. In Bereichen des Feuerraumes ohne Luftzufuhr¬† k√∂nnen¬† 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/:
  • Erw√§rmung¬† des¬† Brennstoffs¬† durch¬† R√ľckstrahlung von Flamme, Glutbett und Feuerraumw√§nden
  • Trocknung des Brennstoffs durch Verdampfung und Abtransport¬† des Wassers¬† bei¬† Temperaturen¬† ab¬† ca. 100 ¬įC,
  • Pyrolytische Zersetzung des wasserfreien Brennstoffs durch Temperatureinwirkung bei Temperaturen ab ca. 150 ¬įC,
  • Vergasung des wasserfreien Brennstoffs mit Sauerstoff zu¬† brennbaren¬† Gasen¬† (Kohlenstoffmonoxid,¬† Kohlenwasserstoffe)¬† und¬† festem¬† Kohlenstoff¬† (ab¬† ca. 250 ¬įC),
  • Vergasung¬† des¬† festen¬† Kohlenstoffs mit Kohlenstoffdioxid, Wasserdampf und Sauerstoff zu Kohlenstoffmonoxid (ab ca. 500 ¬įC),
  • Oxidation der brennbaren Gase mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser bei Temperaturen ab ca. 700 ¬įC¬† bis¬† ca.¬† 1.400 ¬įC¬† (real)¬† bzw.¬† bis¬† ca.¬† 2.000 ¬įC (theoretisch),
  • W√§rmeabgabe der Flamme an die umgebenden Feuerraumw√§nde und den neu zugef√ľhrten Brennstoff.
In der ersten Phase wird der aufgegebene Brennstoff zun√§chst¬† erw√§rmt. Das¬† erfolgt¬† durch¬† R√ľckstrahlung von der Flamme, dem Glutbett und den Feuerraumw√§nden aber auch durch Konvektion und W√§rmeleitung¬† im Brennstoff. Die Verdampfung des¬† anhaftenden¬† oder¬† eingeschlossenen Wassers¬† beginnt¬† danach haupts√§chlich bei Temperaturen oberhalb von 100 ¬įC.

Dabei¬† schreitet die Trocknungsfront von¬† au√üen nach innen fort, wobei die Trocknungsgeschwindigkeit von der W√§rmeleitf√§higkeit¬† abh√§ngt.¬† Diese¬† wiederum wird¬† von¬† der¬† Rohdichte¬† und¬† ‚Äst bei¬† Holz¬† ‚Äst 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¬† k√ľrzerkettige¬† Verbindungen,¬† wobei brennbare¬† Gase¬† in¬† Form¬† von¬† Kohlenstoffmonoxid (CO)¬† und gasf√∂rmigen Kohlenwasserstoffen¬† (CnHm) sowie Pyrolyse-√Ėle (Teere) gebildet werden.
Dieser¬† Vorgang¬† ben√∂tigt¬† keinen¬† Sauerstoff.¬† Da Sauerstoff¬† aber¬† ‚Äst auch unter Luftabschluss¬† ‚Äst in¬† chemisch gespeicherter Form¬† (bei Holz¬† ca. 44 %¬† i.d.TM)¬† oder¬† durch¬† Luftzuf√ľhrung¬† stets¬† vorhanden¬† ist, kommt es unmittelbar nach der Aufspal tung zu mehr oder weniger vollst√§ndigen Oxidationsreaktionen unter W√§rmefreisetzung.
Um¬† den¬† Prozess¬† der¬† Entgasung¬† durch¬† diese W√§rmefreisetzung¬† nicht¬† nur¬† in Gang¬† zu¬† halten¬† sondern m√∂glichst auch in der Leistung zu steuern, wird in Feuerungsanlagen gezielt an den Ort der pyrolytischen¬† Zersetzung¬† (z. B.¬† Glutbett)¬† Luftsauerstoff¬† als sogenannte¬† ‚ÄěPrim√§rluft‚Äú¬† zugef√ľhrt.¬† Bei¬† diesem¬† als Vergasung bezeichneten¬† Teilprozess¬† wird¬† die¬† ben√∂tigte W√§rme aus unvollst√§ndigen Reaktionen der gasf√∂rmigen¬† Pyrolyseprodukte¬† mit¬† Sauerstoff¬† bereitgestellt.¬† Um¬† auch¬† die¬† festen¬† und¬† fl√ľssigen Pyrolyseprodukte (Kohle, Teere) angreifen zu k√∂nnen, sind¬† im¬† Vergleich¬† zur¬† pyrolytischen¬† Zersetzung mit zum Teil √ľber 500 ¬įC merklich h√∂here Temperaturen notwendig.

Im¬† Teilprozess¬† der¬† Oxidation¬† haben¬† sich¬† die Brenngase bereits¬† teilweise¬† im Feuerraum ausgebreitet, was sich am Flammenverlauf ablesen l√§sst. Unter Einwirkung¬† von¬† zum¬† Teil¬† gezielt¬† zugef√ľhrtem¬† Luftsauerstoff (‚ÄěSekund√§rluft‚Äú) findet hier eine mehr oder weniger vollst√§ndige Oxidation der freigesetzten gasf√∂rmigen Produkte CO und CnHm statt, wobei unter Bildung¬† von¬† Zwischenprodukten¬† (z. B. Wasserstoff) Kohlenstoffdioxid und Wasser entstehen. Der Abbau der Kohlenwasserstoffe erfolgt dabei √ľber 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. w√§rmefreisetzend) und sie sendet Lichtund W√§rmestrahlung¬† aus, die¬† sich¬† in der¬† sichtbaren Flamme¬† √§u√üert.
Die  Oxidationsreaktionen  liefern
damit die Energie¬† f√ľr die √ľberwiegend endothermen (d. h.¬† w√§rmeverbrauchenden)¬† Vorg√§nge¬† der¬† Erw√§rmung, der Trocknung sowie der pyrolytischen Zersetzung (Abb. 5.1).
Au√üer¬† 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 (Entgasungsr√ľckstand) wird dabei im Glutbett zuerst
vergast (Feststoffvergasung) und anschließend  in der Gasphase  aufoxidiert  /5-7/.
Als¬† Verbrennungsr√ľckstand verbleibt die Asche. Bei Holzfeuerungen¬† ist¬† das¬† Ph√§nomen¬† des¬† ‚Äěknisternden Feuers‚Äú bekannt. Die Ursache hierf√ľr liegt in dem¬† entweichenden Wasser,¬† das¬† bei¬† der¬† Trocknung bei¬† hohen¬† Temperaturen¬† unter Druck¬† ger√§t¬† und¬† die Zellw√§nde¬† sprengt.¬† Besonders¬† bei¬† den¬† harzreichen Nadelh√∂lzern ist dieser Druck sehr hoch, da die Harze ab¬† ca.¬† 60 ¬įC¬† erweichen¬† und¬† somit¬† die¬† radialen¬† Leitungsbahnen¬† im¬† Holz¬† f√ľr¬† 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),
  • Ru√ü (brennbarer Teil der Staubemissionen).
Kohlenmonoxid ist ein geruchloses Gas und wird ‚Äď da es¬† leicht messbar ist¬† ‚Äst i.¬† Allg.¬† als¬† Indikator¬† f√ľr¬† die G√ľte einer Verbrennung verwendet. Die Kohlenwasserstoffe bilden dagegen eine Stoffgruppe mit wesentlich h√∂heren Umwelt und¬† Gesundheitsrisiken,¬† sind geruchlich wahrnehmbar und stellen den eigentlichen Grund f√ľr Geruchsbel√§stigungen dar. Ru√ü 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 f√ľr eine unvollst√§ndige Verbrennung liegen nur selten in einer ungen√ľgenden Sauerstoffzuf√ľhrung¬† begr√ľndet. H√§ufig¬† 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 unvollst√§ndigen Verbrennung kommt es aber auch, wenn die Verweilzeit der Reaktionspartner in¬† einer¬† solchen hei√üen Zone¬† zu¬† gering¬† ist¬† (z. B. auf Grund zu klein dimensionierter Feuerr√§ume). Das ist auch bei feuchten Brennstoffen der Fall; zu hohe Wassergehalte im Brennstoff

mindern nicht nur die Verbrennungstemperatur¬† sondern¬† f√ľhren¬† auch¬† zu¬† einer Erh√∂hung¬† des¬† Abgasvolumens,¬† was¬† zwangsl√§ufig ebenfalls¬† mit¬† einer¬† geringeren¬† Aufenthaltszeit¬† im Brennraum¬† verbunden¬† ist.¬† Au√üerdem¬† kann¬† die Durchmischung¬† der¬† gebildeten¬† Brenngase¬† mit¬† der Verbrennungsluft (Sekund√§rluft) ung√ľnstig sein, weil beispielsweise¬† nicht¬† gen√ľgend¬† Turbulenz¬† im¬† Feuerraum¬† erzeugt¬† wird¬† und¬† die¬† Brenngase¬† somit¬† nicht ausreichend mit Sauerstoff in Kontakt kommen.

Um¬† eine m√∂glichst¬† vollst√§ndige¬† Verbrennung¬† zu erreichen sind eine Reihe von¬† technischen Bedingungen zu erf√ľllen, die u. a. in Kapitel 6 dargestellt sind. Die Freisetzung von Produkten einer unvollst√§ndigen Verbrennung l√§sst 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) √ľber 0,45 % (Stroh) bis ca. 4 % (Rapsk√∂rner) in einem¬† relativ¬† weiten¬† Bereich¬† schwanken¬† kann.¬† Allerdings¬† wird¬† der¬† Brennstoffstickstoff bei¬† der¬† Verbrennung¬† gr√∂√ütenteils¬† 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.¬† Hierf√ľr m√ľssen¬† aber¬† sehr¬† hohe¬† Temperaturen¬† von mehr¬† als 1.300 ¬įC¬† vorliegen;¬† sie¬† kommen¬† jedoch¬† bei¬† der¬† Biomasseverbrennung¬† allenfalls¬† √∂rtlich¬† und¬† kurzzeitig vor. Daher spielt dieser Bildungsmechanismus nur bei den stickstofffreien Brennstoffen wie Heiz√∂l oder Erdgas eine gr√∂√üere Rolle, da hier h√∂here 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 gleichm√§√üige¬† Brennstoffzuf√ľhrung erlaubt¬† eine¬† an¬† diese¬† Brennstoffmenge¬† angepasste Luftmengendosierung bei gleichbleibenden Temperaturen¬† im¬† Feuerraum.¬† Eine¬† derartige¬† Optimierung f√ľhrt letztlich auch zu entsprechend gleichbleibenden und¬† relativ¬† geringen Schadstofffreisetzungen (Abb. 5.2).
 
Die¬† automatische¬† Zuf√ľhrung¬† der¬† sch√ľttf√§higen Brennstoffe¬† erlaubt¬† au√üerdem eine¬† kontinuierliche Anpassung der Brennstoffmenge an den wechselnden W√§rmebedarf. Automatisch beschickte Anlagen¬† sind daher¬† meist¬† √ľber¬† einen¬† relativ¬† weiten¬† Bereich¬† teillastf√§hig¬† (ca.¬† 30¬† bis¬† 100 %¬† der Nennw√§rmeleistung). W√§rmespeicher¬† zur¬† √úberbr√ľckung¬† von¬† Phasen¬† mit niedriger¬† W√§rmenachfrage k√∂nnen¬† deshalb¬† relativ klein¬† dimensioniert¬† oder¬† ‚Äst unter¬† bestimmten¬† Bedingungen ‚Äď auch ganz weggelassen werden.
Im¬† Vergleich¬† zu¬† Anlagen¬† mit¬† automatischer Beschickung¬† weisen¬† diskontinuierlich¬† von¬† Hand beschickte¬† Feuerungen¬† ausgepr√§gte¬† Schwankungen im¬† zeitlichen¬† Verlauf¬† der¬† Verbrennungsqualit√§t¬† auf. Dies¬† gilt¬† insbesondere f√ľr¬† Anlagen¬† ohne¬† Gebl√§se (‚ÄěNaturzuganlagen‚Äú),¬† zu¬† denen¬† die¬† meisten¬† Einzelfeuerst√§tten¬† z√§hlen¬† (Kapitel¬† 6).¬† Hier wechseln¬† die Randbedingungen¬† der Verbrennung¬† zwischen¬† zwei Nachlegezeitpunkten¬† erheblich. Mit¬† dem Einschichten¬† einer¬† neuen¬† Brennstofff√ľllung¬† bewirkt¬† der¬† kalte und¬† noch feuchte¬† Brennstoff¬† sowie¬† das¬† √Ėffnen¬† der F√ľllt√ľr zun√§chst eine Abk√ľhlung.
Gleichzeitig nimmt das¬† F√ľllvolumen¬† im¬† Feuerraum¬† w√§hrend¬† der anschlie√üenden¬† kontinuierlichen¬† Abbrandphase¬† ab,weshalb man¬† auch¬† vom ‚ÄěChargenabbrand‚Äú¬† spricht.
Mit dem ver√§nderlichen F√ľllvolumen √§ndert sich bei vielen¬† Feuerungsbauarten auch¬† die¬† Verweilzeit¬† der gebildeten¬† Brenngase.¬† Die¬† sich¬† st√§ndig¬† √§ndernden Verbrennungsbedingungen¬† lassen¬† sich¬† an¬† der¬† Konzentration¬† des¬† gebildeten¬† Kohlenstoffdioxids¬† (CO2) und des Kohlenstoffmonoxids (CO) im Abgas ablesen (Abb. 5.2).

F√ľr¬† die¬† abbrandphasenbezogene¬† Dosierung¬† der Luftzufuhr¬† ergeben¬† sich¬† hieraus¬† bestimmte¬† Konsequenzen¬† (Kapitel¬† 6).¬† Diese¬† lassen¬† sich¬† am¬† besten umsetzen, wenn¬† ein Gebl√§se¬† verwendet wird, durch welches¬† die¬† Luftmenge¬† an den¬† momentanen Verbrennungszustand angepasst werden kann. Durch geeignete Feuerungskonstruktionen¬† wird¬† au√üerdem versucht ‚Äď wie bei automatisch beschickten Anlagen ‚Äď einen m√∂glichst gleichm√§√üigen Abbrand mit konstanter Leistung¬† und¬† geringen Emissionen¬† zu¬† erreichen.
Das Nachlegen des Brennstoffs und das ver√§nderliche F√ľllvolumen¬† sollen¬† dabei einen¬† m√∂glichst¬† geringen St√∂reinfluss aus√ľben. Ein Feuerungsprinzip, bei dem diese Forderungen auch¬† bei¬† handbeschickten¬† Feuerungen¬† besonders konsequent umgesetzt wurden, stellt der sogenannte ‚Äěuntere Abbrand‚Äú¬† 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 Ann√§herung¬† an¬† den¬† weitgehend¬† gleich¬† bleibenden Betriebszustand einer¬† automatisch beschickten Feuerung.




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