Ablauf der Holzverbrennung

Bei der Verbrennung von Biomasse laufen eine Reihe verschiedener physikalischer und chemischer Prozesse meist mehr oder weniger gleichzeitig ab: Trocknung, Vergasung durch partielle Luftzufuhr sowie die Oxidation der gebildeten brennbaren Gase und des festen Kohlenstoffs. 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 /5-4/, /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 zu 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,
• Wärmeabgabe der Flamme an die umgebenden Feuerraumwände und an 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 (vgl. Kapitel 5.1), 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 verschiedenen 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, vgl. Kapitel 4) oder durch Luftzuführung stets vorhanden ist, kommt es unmittelbar nach der Aufspaltung 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 (CO2) 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 Licht- und 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 /5-3/.

Abb. 5.1: Abbrandverhalten von Holz über Trocknung, Vergasung mit Primärluft und Oxidation der Gase mit Sekundärluft (nicht dargestellt ist der parallel zum Gasausbrand ablaufende Abbrand des Kohlenstoffs mit Primärluft)

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 /5-5/.
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 antropogenen Treibhauseffekt beiträgt.

Stoffe aus unvollständiger Oxidation der Hauptbrennstoffbestandteile (C, H, O) sind im Wesentlichen

• Kohlenstoffmonoxid (CO),
• Kohlenwasserstoffe (CnHm, Teere),
• Ruß (brennbarer Teil der Staubemissionen).

Kohlenstoffmonoxid 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; der hohe Wassergehalt im Brennstoff mindert nicht nur die Verbrennungstemperatur sondern führt 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 auch anhand von Abb. 5.1 nachvollziehen. Zu den Schadstoffemissionen aus Spurenelementen bzw. Verunreinigungen zählen luftgetragene Aschepartikel (d.h. der nicht-brennbare Teil der Staubemissionen) und 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 (vgl. Kapitel 4). Allerdings wird der Brennstoffstickstoff bei der Verbrennung größtenteils in molekularen Stickstoff (N2) und nicht zu NOx umgewandelt. Nur 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.