Entwicklung eines Brenners mit Luft- und Brennstoffstufung zur emissionsarmen Biomasseverbrennung in Kleinfeuerungsanlagen

Dissertation von Fritz Barth
Universität Stuttgart, 2018

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein neuartiges feuerungstechnisches Konzept zur emissionsarmen Verbrennung von festen Biomassebrennstoffen entwickelt und erprobt. Das feuerungstechnische Konzept grenzt sich gegenüber dem Stand der Wissenschaft und Technik in den folgenden Punkten ab:

  1. Kombination von Luft- und Brennstoffstufung durch die räumliche Trennung der Entgasung, der vollständigen Verbrennung des Gas-Luftgemisches und des Abbrands des Entgasungsrückstandes (Primärkoks),
  2. Gewinnung eines Reduktionsgases aus der Umsetzung des Primärkokses und Einsatz dieses Reduktionsgases als Stufenbrennstoff (kein Einsatz eines separaten Sekundärbrennstoffs notwendig) sowie
  3. Anwendung des Blaubrennerkonzepts auf ein mit Biomasse befeuertes Brennersystem, d.h. Umstellung von Diffusions- auf Vormischflamme.

Zur Evaluierung des entwickelten Feuerungskonzepts wurde ein Brennersystem gebaut und untersucht. Gemäß diesem Konzept wird die Verbrennungsluft dreifach gestuft im Bereich der Entgasung, des Primärkoksabbrandes sowie der Verbrennung des Gasgemisches zugeführt. Als Brennstoffe wurden Pellets aus Stroh- und Getreidereststoffen sowie aus Holz eingesetzt.

Für die NOx-Konzentration zeigte sich eine starke Abhängigkeit sowohl von der Gesamtluftzahl als auch von den Teilluftzahlen. Die besten Ergebnisse wurden bei sehr geringem Luftüberschuss erzielt. Die NOx-Konzentration konnte bei Senkung der Gesamtluftzahl von 1,6 auf 1,1 um über 40 % reduziert werden. Bis zu einer Gesamtluftzahl von 1,2 wurden stabil niedrige CO-Emissionen von ca. 40 mg/m³ i.N. (13 Vol.-% O2) ermittelt. Die Partikelkonzentration konnte – verglichen mit den Ergebnissen aus Messungen, die bei anderen Feuerungsanlagen unter Verwendung ähnlicher Brennstoffe durchgeführt wurden – um 50 % reduziert werden.

Durch Zugabe des Reduktionsgases kann ebenfalls eine Senkung der NOx-Konzentration erzielt werden. Bei Vorliegen optimaler Bedingungen (Temperatur > 700 °C im Reduktionsbereich, geringer Oxidationsgrad des Primärkokses) konnte die NOx-Konzentration um über 40 % verringert werden. Die Reduktionswirkung des Reduktionsgases war brennstoffübergreifend nachweisbar.

Die Möglichkeit der Anwendung des Blaubrennerkonzepts auf den Versuchsbrenner konnte grundsätzlich bestätigt werden. Die Hauptschwierigkeit in der Umsetzung des Vormischflammenbetriebs lag in der hohen Strömungsgeschwindigkeit des Pyrolysegas-Luftgemisches in der Mischzone. Zu Beginn der Versuche kam es häufig zum Abreißen der Flamme. Die Häufigkeit der Flammenabrisse konnte nach Einführung eines Flammenhalters reduziert werden, jedoch zeigte sich das Brennersystem im Betrieb mit Vormischflamme weiter sehr instabil bei der Änderung von Betriebsrahmenbedingungen (z.B. Abzug des Primärkokses, Druckschwankungen). Ein langfristig stabiler Betrieb mit Vormischflamme erfordert die Entwicklung einer speziell angepassten Regelung für den Betrieb mit Vormischflamme und die Installation einer Zündeinrichtung für den Fall des Abreißens der Flamme.

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