Bei der Substitution von fossiler Kohle durch Biomasse in bestehenden kohlegefeuerten Kesseln sind die aschebedingten Ablagerungs- und Korrosionsprobleme von entscheidender Bedeutung. Problematisch sind die Zusammensetzung und die Eigenschaften der anorganischen Substanz, die später verascht wird und im ursprünglichen Rohstoff der Biomasse vorhanden ist. Die Wechselwirkungen der anorganischen Aschespezies entlang des Verbrennungsprozesses bilden niedrigschmelzende Aschekomponenten wie K-Silikat und korrosive Aschekomponenten wie KCl. Diese Komponenten haben direkte Auswirkungen auf die Kesselablagerung und das Korrosionsrisiko. Daher werden sie als problematische Aschespezies angesehen. Eine Möglichkeit diese Problematik zu verringern ist, die Aschebildungschemie zu modifizieren, sodass die Bildung problematischer Aschespezies gehemmt wird. Aluminosilikate und Tonmineralien der Kaolingruppe wie Kaolinit und Halloysite sind bekannte Additive, die geeignet sind, die Chemie derart zu verändern.
In dieser Arbeit wird das Verbrennungsverhalten verschiedener Biomassebrennstoffe, holz- wie krautartig, bezüglich der Ablagerungen und des Korrosionsgrades mit Fokus auf das Ascheverhalten untersucht. Die Verbrennungstests umfassen Szenarien mit reiner Biomasse und Biomasse mit Additiv. Das Additiv wird zusammen mit dem Brennstoff in die Brennkammer eingebracht. Die für die Tests genutzte Anlage simuliert das Szenario eines Feuerungssystems mit staubförmigen Brennstoffen. Der Ort der Aschebeprobung ist vergleichbar mit der Überhitzerzone eines Kraftwerkskessels in Bezug auf Temperatur und Verweilzeit.
Um das Anwachsen der äußeren Ablagerungen quantitativ zu messen, wird ein Online-Depositionssensor (ODS) verwendet. Ferner wird die Morphologie, chemische Zusammensetzung und das Schmelzverhalten der Aschen, die als äußere Ablagerung bezeichnet wird, charakterisiert. Eine temperaturgesteuerte, d.h. gekühlte, Ablagerungssonde wird implementiert, um die morphologische und chemische Charakterisierung der inneren Initialschicht und ihre Auswirkungen auf die Oberflächenkorrosion der Sonde, die das Kesselrohrmaterial repräsentiert, zu untersuchen.
Je nach chemischer Zusammensetzung wird die Asche als silikatische Ablagerung oder Salz-Ablagerung diskutiert. Silikatische Ablagerungen repräsentieren die von Silizium dominierten Aschepartikel bzw. Phasen. Salz-Ablagerung entspricht denen von Schwefel oder Chlor dominierten.
Die abmildernde Wirkung des Additivs wird durch eine geringere Ablagerungsneigung, eine verbesserte Morphologie (z.B. geringeres Sintern) und eine allgemeine Verringerung der geschmolzenen Aschekomponenten sowie den Salzspezies, hier insbesondere KCl, in der Ablagerungsprobe gezeigt. Das Fehlen von KCl erklärt die geringere Korrosionsaktivität bei Additivnutzung verglichen zum entsprechenden Fall mit reiner Biomasse. Das Ergebnis zeigt, dass sowohl für die silikatische als auch für die Salz-Ablagerungen der Blick auf die Spezies des Kaliums am wichtigsten ist. Grundlegend hängt die Verringerung der negativen chemischen Wechselwirkungen mit den Einbindereaktionen von Aluminiumsilikat-Kalium zusammen. In Gegenwart von Aluminosilikat bildet sich im System das von Kalium thermodynamisch bevorzugte, hochschmelzende und nicht korrosive K-Aluminosilikat, das stabil und somit irreversibel ist, anstatt des niedrigschmelzenden K-Silikat oder gar korrosivem KCl.
Die für einen bestimmten Biomassebrennstoff erforderliche Menge an Additiv wird sowohl durch die Aschesystemchemie des zu verbrennenden Biomassebrennstoffs als auch durch das Umwandlungsniveau des reaktiven Minerals, Kaolinit oder Halloysit, in dem gegebenen Reaktionssystem beeinflusst. Die Chemie ist im Wesentlichen eine Gas-Feststoff-Reaktion zwischen der K-Spezies und dem additiven Mineral. Sie verläuft hauptsächlich außerhalb der brennenden Kohlepartikel. Die Kalium-Einbindereaktionen sind thermodynamisch begünstigt und in der Hochtemperaturverbrennungszone nicht kinetisch begrenzt.
Die Chemie des Biomasseaschesystems regelt die Menge der hauptsächlich in der Verbrennungszone freigesetzten, gasförmigen K-Spezies. Anderseits ist der Umwandlungszustand von Kaolinit, d.h. Meta-Kaolin oder Mullit, durch die Wirksamkeit der Additivpartikel zur Adsorption der im System verfügbaren gasförmigen Spezies bestimmt. Anschließend folgt der chemische Einbau von Kalium in die Aluminosilikat-Matrix des Additivminerals. Das KCl verbleibt bevorzugt als gasförmige Spezies in der Hochtemperaturverbrennungszone und ist die letzte Spezies, die von additivem Mineral verbraucht wird. Beim Einbindeprozess entweicht das Chlor als HCl ins Rauchgas. Diese Studie untersuchte die Anwendbarkeit der HCl-Konzentration, gemessen innerhalb geeigneter Temperaturgrenzen im Rauchgas, als geeigneten Kontrollparameter zur Bewertung und Optimierung der brennstoffspezifischen Additivmenge und in wieweit die HCl-Konzentration geeignet ist, die Wirksamkeit der Einbindechemie in einem vorgegebenen Anwendungsszenario mit verschiedenen, im Handel erhältlichen Additiven zu vergleichen.