Biomassen weisen im Vergleich zu Kohle unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften auf. Dies begrenzt in konventionellen Dampfkraftwerken die Substitution von Kohle durch Biomasse. Um die Nutzung von Biomasse zu fördern, müssen die Zuverlässigkeit, Effizienz und Wirtschaftlichkeit der Feuerungsanlagen mindestens aufrechterhalten werden. Dies muss unter Einhaltung der Emissionsanforderungen und der Berücksichtigung der aktuellen Flexibilitätsanforderungen erfolgen.
Torrefizierung zur Verbesserung der Brennstoffeigenschaften von Biomasse ist eine neuartige Technologie. Sie beinhaltet das Erhitzen von Biomasse in Abwesenheit von Sauerstoff auf eine Temperatur von 200°C bis 300°C. Torrefizierte Biomasse soll bessere Lagereigenschaften, verbesserte Mahlbarkeit, höhere Energiedichten und homogenere Eigenschaften aufweisen.
Die Quantifizierung der Mahlbarkeit von thermisch behandelter Biomasse ist notwendig, um ihre Mahlbarkeit in Kohlemühlen zu beurteilen. Eine verbesserte Mahlbarkeit wird durch die Torrefizierung erreicht. Die Frage, ob dies ausreichend ist, um torrefizierte Biomasse in Kohlemühlen zu zerkleinen, ist derzeit unbeantwortet. Mahlversuche in Großanlagen sind sehr teuer und mit einem hohen Risiko für die Betreiber behaftet. Vor diesem Hintergrund beschäftigt sich ein Teil der vorliegenden Arbeit mit dem Ziel, ein Laborverfahren zur Vorhersage der Mahlbarkeit zu entwickeln und zu validieren. Die durchgeführten Tests reichen von Tests im Labormaßstab bis hin zu industriellen Validierungstests. Die Arbeit untersucht auch den Energieverbrauch in einer typischen Biomasse-Mühle wie der Hammermühle, um das Verbesserungspotential, das durch die Torrefizierung erzielt werden kann, zu bestimmen.
Torrefizierte Biomassepartikel haben eine andere Form und Morphologie als unbehandelte Biomassepartikel. Auch ihre innere Oberfläche und Gesamtporenvolumina sind unterschiedlich. Der Flüchtigengehalt der Biomasse nimmt infolge der Torrefizierung ebenfalls ab. Die Partikelgröße und der Flüchtigenanteil beeinflussen signifikant die Flüchtigenfreisetzung und somit das Zünden und die Stabilität der Flamme an der Brennerwurzel. Die Flammenzone der Flüchtigenverbrennung ist wichtig für die Flammenstabilität sowie für die Bildung und primäre Minderung von Schadstoffen wie NOx. In den experimentellen Arbeiten werden verschiedene torrefizierte und nicht torrefizierte Biomassen untersucht. Es wurden Versuche zur Pyrolyse sowie gestufte und ungestufte Verbrennungsversuche durchgeführt, um die Schadstoffbildung und –reduktion zu untersuchen. Die Entgasungsexperimente liefern Informationen über die Gasphasenzusammensetzung, den Massenumsatz und zur Stickstoffverteilung in flüchtigen Bestandteilen und Koks. In Laboranlagen wird die Verbrennung von torrefizierter Biomasse, von Kohle und von Mischungen beider Brennstoffe bei unterschiedlichen Verbrennungsbedingungen untersucht. Weitere Versuche werden an einer 500 kW-Kohlenstaubverbrennungstestanlage sowie an einer industriellen Kraftwerksfeuerung durchgeführt.
Die Mahlergebnisse zeigen, dass der herkömmliche Hardgrove-Index zur Beschreibung der Mahlbarkeit von torrefizierter und nicht torrefizierter Biomasse nicht geeignet ist. Es werden dafür Anpassungen an das Standardverfahren vorgenommen, um das Verfahren insbesondere für thermisch behandelte Biomasse zu adaptieren. Die Anpassungen beziehen sich auf die Probenmenge für die Bestimmung, die Partikelgrößenkriterien zur Definition der Mahlbarkeit und die Erzeugung der Mahlbarkeitskalibrierkurve.
Die angepasste als TTBGI für thermally treated biomass grindability index bezeichnete Methode wird für eine Reihe von torrefizierten Biomassematerialien getestet und validiert. Das Verfahren zeigt eine gute Wiederholbarkeit innerhalb von ± 2TTBGI-Einheiten, analog zu der herkömmlichen Charakterisierungsmethode, dem Hardgrove-Index. In einer für Biomasse typischen Hammermühle kann der Vorteil der Torrefizierung in Bezug auf den geringeren Mahlenergieverbrauch und die Feinheit der Produktausbeute für die torrefizierte Biomasse gezeigt und quantifiziert werden.
Pyrolysetests mit torrefiziertem und nicht torrefiziertem Holz zeigen, dass mehr als 90% des Brennstoffstickstoffs mit den flüchtigen Bestandteilen freigesetzt werden. Der nach der Pyrolyse im Koks vorhandene Stoffstickstoffanteil ist für beide Brennstoffe sehr niedrig und liegt unter 6%. Der entsprechende Vergleichswert bei Kohle liegt bei 75%. Im Vergleich zu Kohlen wird die Biomasseverbrennung durch homogene Gasphasenreaktionen dominiert. Primäre NOX-Minderungsmethoden wie die Luftstufung sind aktiver in der homogenen Reduktion von Stickstoff-Zwischenprodukten in der Gasphase. Neben dem Brennstoffstickstoffgehalt wird die NOX-Bildung auch durch die Flüchtigenfreisetzung und damit die Flammenstruktur beeinflusst. Ebenfalls beeinflussen die Partikelgröße und die Aerodynamik am Brenner die Flammenstruktur. Wenn sich größere Biomassepartikel langsamer aufwärmen, kommt es zu einer verzögerten Freisetzung von flüchtigen Bestandteilen und Stickstoff-Zwischenprodukten. In Abhängigkeit von lokalen Stöchiometrien werden die Stickstoff-Zwischenprodukte zu NOX oxidiert oder zu N2 reduziert. Die Optimierung der Mischungsintensitäten sowie der Partikelgrößenverteilung kann eine effektive Ausnutzung der Flammenzone für die NOX-Reduktion sicherstellen. Torrefizierung in dieser Hinsicht ist positiv für Biomassen, da der Grad der Feinheit aufgrund der besseren Mahlbarkeit verbessert ist. Brenner- und Brennkonzepte müssen so ausgelegt sein, dass das primäre NOX-Reduktionspotenzial optimiert wird, besonders im Brennernahfeld.