Berichte aus Energie- und Umweltforschung 06/2003
Entwicklung einer Pelletsstaub-Einblasfeuerung mit Zyklonbrennkammer

Beim Betrieb von Pellet-Kleinfeuerungen zur Raumwärmeerzeugung und Brauchwasserbereitung treten oft Schwierigkeiten aufgrund von überhöhten Staubanteilen im Brennstoff auf. Aus diesem Grund könnte es sinnvoll sein, die Pellets in zermahlener Form in einer speziell dafür abgestimmten Feuerung einzusetzen. Dabei könnten jene Vorteile genutzt werden, welche von Einblasfeuerungen bekannt sind. Einerseits ist dies die stufenlose Regelbarkeit im Bereich von 25 bis 100 % der Nennleistung und andererseits die geringen erreichbaren CO- und NOx-Emissionen. Einen weiteren Vorteil stellt der geringe erforderliche Gesamtluftüberschuss für eine schadstoffarme Verbrennung dar, der eine Erhöhung des feuerungstechnischen Wirkungsgrades der Anlage bedeutet.

Über eine Literaturrecherche wurde der derzeitige Stand der Technik hinsichtlich Einblas und Staubfeuerungen für feste biogene Brennstoffe evaluiert, der die Basis für die Konzeption einer Pilotanlage bilden sollte. Ein wesentlicher Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung des Verbrennungsablaufes von Einzelpartikeln und deren wichtigste Einflussgrößen, sowie die Erstellung eines näherungsweisen Abbrandmodells für Biomasse-Einzelpartikel von Buche, Weichholz und Spanplatte.

Das Modell beschreibt die einzelnen Verbrennungsphasen der Pyrolyse/Vergasung, des heterogenen Holzkohlenabbrands und des Ausbrands in der Gasphase für die Fälle einer Stoffübergangskontrolle und einer chemischen Kontrolle. Für den Vorgang der Pyrolyse/Vergasung kann die Temperatur als limitierender Faktor angenommen werden. Für den Holzkohlenabbrand zeigte sich, dass im Bereich einer Umgebungstemperatur des Partikels von 900 °C bis 1.400 °C, einem O2 Partialdruck in der Umgebung des Partikels zwischen 5 und 17 kPa, sowie einer Relativgeschwindigkeit zwischen Partikel und umströmendem Medium zwischen 5 m/s und 15 m/s, die Verbrennung am Partikel durch Stoffübergangskontrolle limitiert wird. Bei Temperaturen unter 900 °C tritt eine Überlappung zwischen Stoffübergangskontrolle und chemischer Kontrolle auf. Die COVerbrennung in der Gasphase erfolgt mischungskontrolliert.

Auf Basis des erstellten Modells wurden Abbrandberechnungen durchgeführt, welche die Ermittlung der erforderlichen Verweilzeiten der Partikel im Feuerraum für deren vollständigen Ausbrand lieferten (für bestimmte vorgegebene Rahmenbedingungen). Im Rahmen von Sensitivitätsanalysen wurde der Einfluss der Parameter Temperatur, Relativgeschwindigkeit zwischen Partikel und oxidierendem Medium, O2-Partialdruck in der Partikelumgebung und Partikelgröße untersucht. Auf Basis der Berechnungen erfolgte in einem parallel laufenden Industrieprojekt die Auslegung einer Zyklon-Brennkammer, die eine Verbrennung bei niedrigen Emissionen und eine gleichzeitige Entstaubung des Rauchgases erreichen sollte. Die Vorgabe eines möglichst vollständigen Partikelausbrandes war eine weitere Forderung.

Nach der Realisierung der konzipierten Zyklon-Feuerung in Form einer Labor-Pilotfeuerungsanlage wurden erste Testläufe durchgeführt. Anhand des dabei aufgezeichneten Datenmaterials wurden Auswertungen vorgenommen, die eine Bewertung des umgesetzten Konzeptes sowie der verwendeten Modelle ermöglichten. Durch Vergleich der Modellergebnisse des Partikel-Abbrandes mit den Realergebnissen an der Versuchsanlage, sowie Untersuchungen zum Abbrandverhalten biogener Brennstoffe am Laborreaktor des Instituts für Grundlagen der Verfahrenstechnik, konnte eine tendenzielle Übereinstimmung hinsichtlich des Einflusses der Parameter Temperatur, O2-Gehalt, Relativgeschwindigkeit und Partikeldurchmesser festgestellt werden, die auf eine grundsätzliche Tauglichkeit des erstellten Partikelabbrandmodells schließen lässt.

Zur Absicherung und Optimierung dieses Abbrandmodells werden jedoch noch weitere Testläufe mit umfangreicherem Messprogramm empfohlen. Der Einsatz dieses Modells im Rahmen von CFD-Modellrechnungen könnte es in Zukunft ermöglichen, die Geometrie der Brennkammer, sowie die erforderlichen Verweilzeiten der Partikel für deren vollständigen Ausbrand computergestützt zu simulieren und zu optimieren, und somit zeitintensive Versuchsreihen und Umbauarbeiten an Pilotanlagen deutlich zu reduzieren.