Feuerung - Axpo-Holz

Feuerungstechnik
Zur Verfeuerung von Holz und anderen Biomasse-Brennstoffen werden unterschiedliche
Feuerungstechniken eingesetzt: Die Rostfeuerung mit Vorschub- und Wanderrosten sowie
die stationäre und zirkulierende Wirbelschichtfeuerung. Die verschiedenen
Feuerungsbauarten unterscheiden sich grundsätzlich in ihren Konstruktionen und haben mit
Sicht auf die Holzverbrennung spezifische Vor- und Nachteile.
Zwei Drittel aller Feuerungen in Holzkraftwerken sind mit Vorschubrosten ausgestattet. Die
zweite Stelle, jedoch gegenüber den Vorschubrosten weit zurückliegend, teilen sich die
Wanderrostfeuerungen und die Wirbelschichtfeuerungen mit einem Anteil von jeweils rund
einem Sechstel. Von den in jüngster Zeit gebauten Holzfeuerungen liegt der zahlenmässige
Anteil der Vorschubrostfeuerungen eher noch etwas höher, da kaum noch grosse und immer
mehr kleinere Anlagen gebaut werden, in denen fast durchweg Vorschubroste zum Einsatz
kommen.
Eine der Grundanforderungen an die Feuerungstechnik ist ein möglichst vollständiger
Ausbrand bei geringen Schadstoffemissionen. Grundsätzlich gibt es noch keine
Universalfeuerung, die für alle Sorten von Biomassebrennstoffen in gleicher Weise geeignet
ist. Körnigkeit und Konsistenz der verschiedenen Biomassebrennstoffe können in weiten
Bereichen variieren, ebenso kann das chemische Verbrennungsverhalten äusserst
unterschiedlich sein. Biomassebrennstoffe stellen insofern an die Feuerungstechnik hohe
Anforderungen. Die richtige Wahl des Feuerungssystems und eine bestmögliche Auslegung
der gesamten Feuerungsanlage ist entscheidend, um für ein vorhandenes
Brennstoffsortiment optimale Verbrennungsbedingungen zu schaffen als
Grundvoraussetzung für einen gleichmässigen und störungsfreien Feuerungsbetrieb.
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Verbrennungsprozess
1 Verbrennungsprozess
Das am eindrucksvollsten wahrnehmbare Merkmal von Verbrennungsprozessen sind die im
Brennraum frei lodernden Flammen, in deren Lichterscheinungen die Regionen sichtbar
werden, wo exothermen Reaktionen ablaufen. Verbrennungsprozesse finden in
Brennräumen statt, die so zu gestalten sind, dass frei brennende Flammen entstehen
können, die weder mit Brennraumwänden noch mit Wärmetauscherflächen in Kontakt
kommen. Denn zum einen können herkömmliche Materialien, soweit sie ungekühlt sind, den
sehr hohen Temperaturen im Flammenbereich nicht dauerhaft standhalten, und zum
anderen würden Wärmetauscherrohre die Flammenzone zu stark abkühlen, so dass
Kohlenmonoxid- und Russbildung einsetzen würden.
Die entscheidenden Kriterien für die Güte eines technischen Verbrennungsprozesses sind
einerseits die Vollständigkeit der Verbrennung und andererseits seine Umweltverträglichkeit.
Chemisch gesehen ist eine Verbrennung die Oxidation der brennbaren Bestandteile eines
Brennstoffs mit Luftsauerstoff zu den gasförmigen Reaktionsprodukten CO 2 und H 2 O. Dabei
wird die in den Brennstoffen gespeicherte chemische Energie durch exotherme Reaktion
freigesetzt. Als Mass für den Reaktionsumsatz wird der feuerungstechnische Begriff des
Ausbrandes verwendet. Je höher der Ausbrand desto grösser ist der Reaktionsumsatz und
umso vollständiger läuft die Reaktion ab. Neben den genannten Hauptprodukten des
Verbrennungsprozesses entstehen weitere Nebenprodukte wie beispielsweise SO 2 und NO X .
Diese können als Schadstoffe wirken und bestimmen insofern die Umweltverträglichkeit des
jeweiligen Verbrennungsprozesses. Die Temperatur, die Luftmenge, die Verweildauer und
die Strömungsverhältnisse spielen eine entscheidende Rolle bei allen
Verbrennungsprozessen und beeinflussen sowohl den Ausbrand und als auch die
Schadstoffbildung.
Eine Grundvoraussetzung für einen möglichst vollständigen Ausbrand sind ausreichend
hohe Temperaturen in der Ausbrandzone oberhalb von 800 bis 850°C. Die sich einstellende
Verbrennungstemperatur ist abhängig von der Luftzahl und vom Heizwert des Holzes,
welcher wiederum von der Holzfeuchte bestimmt wird. Bei stöchiometrischer Verbrennung
von absolut trockenem Holz kann theoretisch eine Verbrennungstemperatur von rund
2000°C erreicht werden. Brennholz ist jedoch nicht absolut trocken und die Verbrennung
erfolgt stets mit Luftüberschuss. Näher an der Praxis liegt daher eine
Verbrennungstemperatur von 1200°C, die bei der Verbrennung von luftrockenem Holz mit
einer Feuchte von 20% bei einer Luftzahl von 1.5 erreicht wird. Beim Verfeuern von
Frischholz, dessen Wassergehalt über 50% betragen kann, mit hohen Luftüberschusszahlen
kann die Verbrennungstemperatur auch unter den kritischen Wert von 800°C absinken. Hohe
Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffemissionen sowie Russ- und Teerbildung sind die
Folge. Liegt hingegen die adiabatische Verbrennungstemperatur über 1400°C, wird die
Bildung von thermischem NO X erhöht. In einem Feuerraum ohne Ausmauerung und mit
intensiver und turbulenter Verbrennung wird man niedrige Emissionswerte erzielen, wenn die
adiabatische Verbrennungstemperatur im Intervall von 1300-1400°C liegt.
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Verbrennungsprozess
Da der Ablauf der Verbrennungsreaktionen Zeit benötigt, müssen die günstigen
Temperaturbedingungen in der Oxidationszone der Brenngase über eine gewisse Dauer
aufrecht erhalten werden. Dementsprechend sind die Feuerräume so zu dimensionieren,
dass lange Ausbrennwege aller Brenngase geschaffen werden. Die Verweildauer der Gase
in der Ausbrandzone sollte auch bei der höchsten Strömungsgeschwindigkeit mindestens
zwei Sekunden betragen.
Die dritte Voraussetzung für optimale Ausbrandbedingungen ist Turbulenz. Wenn Brenngase
und Verbrennungsluft parallel durch die Oxidationszone strömen, ohne dass eine
ausreichende Durchmischung erfolgt, spricht man von Strähnenbildung. Diese ist unbedingt
zu vermeiden, indem turbulente Strömungsbedingungen herbeigeführt werden, die für eine
ausreichend gute Durchmischung der Gassträhnen sorgen. Wirksame Massnahmen zur
Schaffung einer turbulenten Verbrennung sind der Einbau von Lenkwänden in der
Brennkammer oder das Einblasen von Sekundärluft. An Umlenkstellen entstehen immer
Verwirbelungszonen, die für eine gute Durchmischung der Brenngase sorgen. Das Einblasen
von Zweitluft ist ebenso dafür geeignet, um Strähnenbildung im Rauchgasstrom zu
verhindern. Jedoch reicht diese Massnahme insbesondere bei grossen Brennräumen allein
nicht aus, um die notwendige Durchwirbelung der zähen Rauchgase zu erreichen, denn die
Einblasung von Luft in heisse Rauchgase ist bezüglich der Zähigkeit dem Einspritzen von
Wasser in Öl vergleichbar.
Ausser der Optimierung von Verbrennungstemperatur, Verweilzeit und Turbulenz ist letztlich
auch eine ausreichende Luftzufuhr eine Grundvoraussetzung für einen guten Ausbrand. Der
zur Oxidation benötigte Sauerstoff wird in der Regel mit der Verbrennungsluft zugeführt. Für
eine vollständige Verbrennung des Brennstoffs wird die stöchiometrisch erforderliche
Mindestluftmenge benötigt. Dabei entsteht das stöchiometrische Verbrennungsgas
, das neben den Reaktionsprodukten noch den übrigbleibenden Stickstoff enthält. Wird
einer Feuerung jedoch nur die Mindestluftmenge zugeführt, ist nicht gewährleistet, dass die
Verbrennung vollständig abläuft. Man betreibt daher technische Feuerungen nicht
stöchiometrisch, sondern mit einem bestimmten Luftüberschuss. Das Verhältnis zwischen
tatsächlicher Luftmenge und Mindestluftmenge wird als Luftzahl bezeichnet.
Gleichung 1
Verbrennt man bei Luftüberschuss ( > 1), so verlässt zusätzlich die überschüssige
Verbrennungsluft die Feuerung. Das Verbrennungsgas setzt sich in diesem Fall aus
dem stöchiometrischen Verbrennungsgas und der überschüssigen Luft
zusammen. Für die Menge der überschüssigen Luft ergibt sich unter Beiziehung von
Gleichung 1:
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Verbrennungsprozess
Gleichung 2
Die Verbrennung der Stoffmenge eines Brennstoffs kann dann allgemein mit der
folgenden Verbrennungsgleichung beschrieben werden:
Gleichung 3
Die CO 2 -Konzentration im Verbrennungsgas wird bei = 1 maximal, denn in diesem
Fall entsteht nur das stöchiometrischen Verbrennungsgas . Bei Luftzahlen > 1
wird der CO 2 -Stoffmenge im Verbrennungsgas durch die überschüssige Luft verdünnt.
Für das Verhältnis zwischen maximalen und tatsächlichen CO 2 -Volumenanteilen im
Verbrennungsgas gilt daher
wobei bzw. Volumenprozente bezeichnet. Die Auflösung von Gleichung 4
nach ergibt dann:
Gleichung 4
Gleichung 5
Der Faktor
liegt bei gasförmigen Brennstoffen zwischen 0.9 und 1.9, bei
flüssigen Brennstoffen zwischen 0.93 und 0.97 und bei festen Brennstoffen zwischen
0.98 und 1. Bei festen Brennstoffen kann daher die Luftzahl über die Messung des
CO 2 -Gehalts im Rauchgas nach folgender Gleichung näherungsweise berechnet
werden:
Gleichung 6
Will man das Luftverhältnis aus dem gemessenen CO 2 -Gehalt des Rauchgases
berechnen, so ist dazu die Kenntnis der maximalen Kohlendioxidkonzentration im
stöchiometrischen Rauchgasvolumen erforderlich. Diese Grösse, die je nach Art des
Brennstoffs Werte von 0.1 bis 0.26 annehmen kann, ist mittels Gleichung 7 aus der
Elementaranalyse des Brennstoffs berechenbar 1 . Hierin bezeichnen die Formelzeichen
die Massenanteile der brennbaren Elemente Kohlenstoff, Wasserstoff,
Sauerstoff, Schwefel und Stickstoff. Eine typische chemische Zusammensetzung von
1 F. Brandt: Brennstoffe und Verbrennungsrechnung, 3. Auflage, Vulkan-Verlag 1999
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Verbrennungsprozess
Holz ist in Tabelle 1 angegeben. Die Berechnung gemäss diesen Angaben liefert dann
als Resultat einen maximalen CO 2 -Gehalt der Holzverbrennung von 20.43%.
Gleichung 7
Tabelle 1 Elementarzusammensetzung von Holz
wasser- und aschefreie Holzsubstanz in
Massenanteilen
Wasser- und
Aschegehalt
C H O N S Wasser Asche
0.5 0.06 0.44 0.002 0 0.12-0.25 0.002-0.008
Umrechnung auf die Zusammensetzung im Verwendungszustand durch
Multiplikation der Bestandteile mit (1- w - A )
0.3875 0.0465 0.341 0.00155 0 0.22 0.005
Eine Verbrennungskontrolle über den -Gehalt der Brennstoffe ist bei gasförmigen und
flüssigen Brennstoffen, deren Zusammensetzung nur wenig variieren, durchführbar. Bei
Holzbrennstoffen hat man es jedoch mit vielen Holzsorten zu tun, die sich in ihrer
chemischen Zusammensetzung unterscheiden. Die Feststellung der Luftzahl über den
-Gehalt ist insofern weniger geeignet. Stattdessen ist es auch möglich, das
Luftverhältnis aus dem gemessenen O 2 -Gehalt des Rauchgases zu berechnen. Die dazu
erforderliche Gleichung, die im Folgenden hergeleitet wird, enthält keine
brennstoffspezifischen Kenngrössen. Für den Sauerstoffgehalt im trockenen Rauchgas in
Volumenanteilen gilt:
Gleichung 8
Hierin ist:
Sauerstoffvolumen in der überschüssigen Luft
gesamtes trockenes Rauchgasvolumen
trockenes Rauchgasvolumen bei stöchiometrischer
Verbrennung
stöchiometrische Mindestluftmenge zur vollständigen
Verbrennung mit trockener Luft
Volumenanteil von Sauerstoff in trockener Luft
Volumenanteil von Sauerstoff im trockenen Rauchgas
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Verbrennungsprozess
Löst man Gleichung 8 nach ( - 1) auf, ergibt sich:
Gleichung 9
Dividiert man den Zähler und den Nenner jeweils durch
, erhält man:
Gleichung 10
Bei festen Brennstoffen ist
, ausserdem kann der Sauerstoffgehalt in trockener Luft
von 0.20938 zu 0.21 aufgerundet werden. Damit erhält man für die Luftzahl die Beziehung:
Gleichung 11
Bei Feuerungsanlagen, in denen unterschiedliche Brennstoffe zu gleicher Zeit verfeuert
werden, wird man daher stets den O 2 -Gehalt des Rauchgases messen und mit Hilfe von
Gleichung 11 auf die Luftzahl schliessen.
2 Vorschubroste
In Holzkraftwerken wird die Holzverbrennung überwiegend auf Vorschubrosten durchgeführt,
die mit einer Neigung von 15-25 Grad im Feuerraum angeordnet werden. Abbildung 1 zeigt
einen Vorschubrost mit einer Fläche von 48 m 2 , auf dem eine Feuerungswärmeleistung von
38 MW freigesetzt wird. Der Rost hat einen treppenförmigen Aufbau mit übereinander
liegenden Roststäben, wobei sich fixierte mit beweglichen Roststabreihen abwechseln
(Abbildung 2). Die beweglichen Roststäbe führen eine hin- und hergehende Bewegung aus.
Beim Vorschub wird der Brennstoff auf den feststehenden Roststabreihen vorgeschoben und
fällt dabei auf die darunter liegenden beweglichen Roststabreihen. Beim Zurückziehen
streifen die feststehenden Reihen den Brennstoff auf den beweglichen Reihen nach vorne
ab. Zur Erzielung einer kräftigen Schürwirkung erfolgt Vorschub und Zurückziehen der
Roststabreihe meist stossartig, worauf eine Pause in der Bewegung eintritt. Die Brennstoffschicht
wird so zum unteren Rostende gefördert und brennt dabei aus. Die Verbrennungsluft
wird von unten durch Schlitze zwischen den Roststäben und an den Frontseiten der Roststäbe
in das Brennstoffbett geblasen. Über eine Aufteilung der Verbrennungsluftzufuhr auf
einzelne Rostzonen kann die Luftmenge entlang des Rostes variiert werden. Rostfeuerungen
werden mit hohen Luftüberschusszahlen im Bereich zwischen 1.4 und 2.0 betrieben,
vorzugsweise mit λ = 1.6. Unterhalb des Rostendes befindet sich ein Schlackentrichter,
durch den die Schlacke schliesslich in einen mit Wasser gefüllten Nassentascher niederfällt.
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Vorschubroste
Abbildung 1 Luftgekühlter Vorschubrost, Rostbreite 4.4 Meter, Rostlänge 10.85 Meter, Axpo Tegra AG,
Domat/Ems.
Abbildung 2 Seitenansicht eines Treppenrostes. Jede zweite Roststabreihe ist beweglich und kann über
die feststehende Roststabreihe (rote Färbung) geschoben werden.
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Vorschubroste
Der Brennstoff wird am oberen Rostende mittels einer hydraulisch betätigten
Einschubeinrichtung auf den Rost aufgegeben. Dabei ist darauf zu achten, dass der Rost auf
seiner gesamten Breite gleichmässig mit Holz belegt wird, so dass auch bei der Beförderung
des Brennstoffs über den Rost eine homogene Bedeckung der Rostfläche auf der gesamten
Länge gewährleistet ist. Ein ungleichmässiges Abbrennen der Brennstoffschicht sowie die
Bildung von Löchern im Feuer sind zu vermeiden. So verursacht eine lokale Überhitzung die
NO X -Bildung und eine lokale oder kurzzeitige Unterkühlung die CO-Bildung.
Die bei der Verbrennung entstehenden Brenngase und die Verbrennungsluft sind durch eine
optimale Gestaltung des Feuerraums so zu führen und zu mischen, dass eine turbulente
Verbrennung mit hohen Temperaturen gewährleistet ist. Die Feuerraumgeometrie einer
Vorschubrostfeuerung sowie die unterschiedlichen Verbrennungszonen, die sich auf dem
Rost ausbilden, sind in Abbildung 3 veranschaulicht. Die Feuerraumdecke ist oberhalb der
Brennstoffzufuhr ein Stück weit nach hinten in Richtung des Rostendes gezogen. Dadurch
wird ein Zündgewölbe geschaffen, dessen Infrarotstrahlung zuerst für eine gute Trocknung
und Entgasung des feuchten Brennstoffs sorgt und anschliessend die Brennstoffoberfläche
weiter bis zur Zündung aufheizt. Um die Trocknung des Brennstoffs zusätzlich zu
beschleunigen, wird die Trocknungszone mit vorgewärmter Primärluft versorgt. Das
Zündgewölbe verunmöglicht zudem das senkrechte Aufsteigen des Wasserdampfes und der
flüchtigen Holzbestandteile aus der Trocknung- bzw. Entgasungszone. Die Umlenkung führt
zu einer Mischung der verschiedenen Brenngase und verhindert, dass der Wasserdampf
strähnenförmig an den Brennkammerwänden entlang nach oben strömt, was den
Strahlungsaustausch zwischen den leuchtenden Flammen und den Brennkammerwänden
reduzieren würde.
An die Trocknungs- und Entgasungszone schliesst sich die heisse Hauptverbrennungszone
an, wo die grösste, für eine vollständige Verbrennung notwendige Luftmenge zugegeben
wird. Die Lage dieser Zone ist abhängig vom Feuchtigkeitsgehalt des Holzes. Trockene
Brennstoffe zünden schneller und entsprechend liegt bei Zuführung von trockenem Holz die
Hauptverbrennung im ersten Drittel des Rostes. Bei der Verfeuerung von nassem Holz
verschiebt sich die Hauptverbrennung in die Mitte des Rostes.
Die letzte, wieder kältere Rostzone dient als Nachverbrennungszone. Diese ist insbesondere
dann erforderlich, wenn infolge eines hohen Feuchtigkeitsgehaltes die Zündung erst spät
einsetzt, so dass die Hauptverbrennung in der Mitte des Rostes zu liegen kommt. Um einen
guten Ausbrand zu erreichen, muss dann auch am Rostende noch stark geblasen werden.
Die hintere Feuerraumdecke ist sehr weit über die Ausbrandzone nach vorne gezogen.
Dadurch werden die heissen Rauchgase nach vorne in Richtung Trocknungs- und Zündzone
gelenkt. Durch den Funkenflug wird die Zündung weiter unterstützt. Zudem wird infolge der
sich bildenden Wirbel ein grosser Teil der Flugasche bereits wieder auf den Rost
zurückgeführt. Die nachgeschalteten Berührungsheizflächen (Überhitzer, Verdampfer und
Vorwärmer) verschmutzen dadurch viel weniger.
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Vorschubroste
Abbildung 3 Vorgänge im Feuerraum einer Vorschubrostfeuerung 2 .
In der vorderen Zone des Vorschubrostes haben die sich bildenden Brenngase meistens
Sauerstoffmangel, während sich in den hinteren Zonen Rauchgase mit Luftüberschuss
bilden. Es muss verhindert werden, dass sich die beiden Gasströme erst bei Eintritt in die
Berührungsheizflächen mischen, weil die dann einsetzende Nachverbrennung zu einer
erheblichen Temperaturerhöhung der Rauchgase bis über den Aschenerweichungspunkt
führen würde. Eine starke Verschmutzung der Berührungsheizflächen infolge eines
Ansinterns oder Anklebens der weichen Flugascheteilchen wäre die Folge. Um eine bessere
Durchmischung zu erreichen, hat der Feuerraum vor dem oberen Teil der Brennkammer eine
starke Einschnürung. An der Umlenkstelle werden die Brenngase mit Sauerstoffmangel und
die mit Sauerstoffüberschuss innig durchmischt. Bis zu den Berührungsheizflächen muss
dann noch ein gewisser Ausbrennweg zur Verfügung stehen, damit die Rauchgase gut
ausbrennen und unter den Aschenerweichungspunkt abgekühlt werden können.
Grundsätzlich ist man daher gezwungen, für niederwertige Brennstoffe grössere Feuerräume
zu bauen, um einen ausreichend langen Flammenweg zu erhalten.
Die Durchmischung der Brenngase wird unterstützt, indem Sekundärluft bzw.
Rezirkulationsgase in der Feuerraumeinschnürung zur Erzeugung von Turbulenz
eingeblasen werden. Daneben sind auch in den Feuerraum-Seitenwänden über dem
2 Bildquelle: WVT-Breiding GmbH
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Vorschubroste
Brennstoffbett und manchmal auch an der Feuerraumrückwand weitere Düsen zur
Zuführung von Zweitluft eingebaut. In Abbildung 1 sind die Düsen in den Feuerraum-
Seitenwänden gut zu erkennen. Bei sehr breiten Vorschubrosten ist es schwer durchführbar,
einem Rauchgasstrom durch einen seitlich zugeführten Luftstrom in nennenswerter Tiefe zu
verwirbeln, denn Rauchgas ist ein zäher Stoff. Die Eindringtiefe eines seitlich zugeführten
Luftstromes in einen dazu senkrecht gehenden Gasstrom beträgt selbst bei hoher
Einblasegeschwindigkeit nur etwa zwei Meter. In grösseren Tiefen biegt der Rauchgasstrom
lediglich aus und strömt ansonsten ohne nennenswerte Verwirbelung getrennt von der Luft
weiter nach oben.
Eine Rostfeuerung bietet zahlreiche Eingriffsmöglichkeiten mit denen das Feuer auf dem
Rost gezielt beeinflusst und an unterschiedliche Holzarten und Holzfeuchten angepasst
werden kann. Die Verbrennungsluft wird passend für die vorhandene Holzart und
Holzfeuchte auf die einzelnen Rostzonen aufgeteilt. Ebenso kann die
Vorschubgeschwindigkeit der Roststabreihen so eingestellt werden, dass für den
vorhandenen Brennstoff die optimalen Verweilzeiten in den Trocknungs-, Entgasungs- und
Ausbrandzonen des Rostes erreicht werden. Die vielfältigen Einstellmöglichkeiten werden
aber dann zum Nachteil, wenn der Brennstoff sich ändert. Denn in diesem Fall müssen alle
Einstellungen neu gefunden werden. Insbesondere bei schneller Änderung der
Brennstofffeuchte sind die Feuerraumtemperaturen und CO-Emissionen starken
Schwankungen unterworfen, die nur schwer wieder eingeregelt werden können. Bei
wechselnder Brennstoffbeschaffenheit ist der Verbrennungsprozess auf einem Rost schwer
zu beherrschen.
Für die Rostfeuerung sind vor allem Brennstoffe mit überwiegend stückiger Struktur
geeignet. Die üblichen Schnitzelgrössen liegen im Bereich von 50 bis 300 mm. Die
Grössenverteilung der Schnitzel ist unkritisch, d.h. es kann ein breites Spektrum an
Schnitzelgrössen auf den Rost aufgegeben werden. Auch die Verbrennung von
unzerkleinerten, sperrigen Holzresten wäre möglich, oftmals sind aber die in einem
Holzkraftwerk eingesetzten Brennstoffförderungs- und Dosiereinrichtungen nicht dafür
geeignet. Häufig treten bei Rostfeuerungen Verbrennungsprobleme auf, wenn der Anteil an
staubförmigen Bestandteilen im Brennstoff zu hoch ist. Die feinen Holzteile fallen entweder
unverbrannt durch die Roststäbe in den Ascheraum, was den Ausbrand der Schlacke
verschlechtert, oder sie werden sofort nach Aufgabe auf den Rost mit dem Abgas wieder aus
dem Feuerraum ausgetragen ohne vollständig ausbrennen zu können, was zu erhöhten CO-
Emissionen führt.
Für eine Rostfeuerung sind Brennstoffe mit einem Heizwert zwischen 8 und 16 MJ/kg
geeignet. Bei höheren Heizwerten wird die thermische Belastung eines luftgekühlten Rostes
zu hoch. Insofern kann die Verbrennung von trockenem Altholz, dessen Heizwert auch mehr
als 16 MJ/kg betragen kann, zum Durchbrennen der Roststäbe führen. In Abbildung 4 ist ein
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Vorschubroste
luftgekühlter Rost gezeigt, dessen Roststäbe aufgrund zu hoher thermischer Beanspruchung
verbrannt sind.
Abbildung 4 Verbrannte Roststäbe infolge zu hoher thermischer Belastung.
3 Wanderrost mit Wurfbeschickung
Ein Wanderrost besteht aus einem endlosen Rostband, das über zwei Wellen umgelenkt
wird. Auf der Beschickungsseite wird der Brennstoff mit einer möglichst gleichmässigen
Schichthöhe auf das Rostband aufgebracht, auf dem dann das ca. 50-80 mm dünne,
brennende Brennstoffbett mit sehr geringer Geschwindigkeit durch den Feuerraum in
Richtung des Schlackentrichters befördert wird. Die konstruktive Ausbildung des Rostes ist
vielfältig. Beispielhaft ist in Abbildung 5 ein Wanderrost mit schuppenartig
aufeinanderliegenden Roststäben dargestellt, die jeweils um zwei Zapfen drehbar gelagert
sind. Sobald sie über das hintere Umkehrende des Rosts gewandert sind, schwingen sie
einzeln ohne Berührung miteinander nach unten aus, wobei Asche und Schlacke, die sich
zwischen den Roststäben angesammelt haben, abgeworfen werden. Die gute
Selbstreinigung des Rostes wird noch durch das Aufeinanderschlagen der Rostglieder beim
Umkippen verstärkt. Ein Wanderrost wird in mehrere Rostzonen für die Zufuhr der
Verbrennungsluft unterteilt (Unterwindzonen-Wanderrost), weiterhin wird Zweitluft an den
Feuerraumseitenwänden über dem Brennstoffbett eingeführt.
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Wanderrost mit Wurfbeschickung
Abbildung 5 Hinteres Umkehrende eines Schuppenwanderrostes.
Auf dem Wanderrost erfährt der Brennstoff keine Schürung. Hierin liegt der entscheidende
Unterschied zum Vorschubrost, wo der Brennstoff beim Transport von einer Roststabreihe
auf die darunter liegende infolge der Fallbewegung gleichzeitig auch geschürt wird. Bei
besonders ungünstigen Brennstoffen mit höheren Aschen- und Feinkorngehalten kann eine
ausbleibende Schürung soweit führen, dass eine einigermassen zufriedenstellende
Verbrennung auf dem Wanderrost unmöglich gemacht wird. Besonders das Feinkorn kann
zu einem örtlichen Zusammenbacken der Brennstoffschicht führen, wodurch die
Luftzuteilung und die Ausbrandverhältnisse ungünstig beeinflusst werden. Bei backenden
oder aschereichen Brennstoffen kommt man daher nicht ohne Schürung aus. Auf jeden Fall
ist eine stetige Brennstoffzuführung mit gleichmässiger Schichtdicke eine unerlässliche
Voraussetzung, um auch in dem ruhenden, ohne Schürung fortbewegten Brennstoffbett
einen zufriedenstellenden Verbrennungsablauf zuwege zu bringen. Eine gleichmässige
Brennstoffzuteilung ist jedoch insbesondere bei Brennstoffen mit einem breiten
Kornspektrum schwierig und gelingt nicht ohne Vorrichtungen zur Vergleichmässigung des
Brennstoffs.
Ohne Schürung ist auch das Verhalten der Brennstoffschicht hinsichtlich Zündung und
Abbrand schwierig. In der Wanderrostfeuerung ist das gemauerte Zündgewölbe oberhalb der
Brennstoffaufgabestelle relativ kurz gehalten. Der Brennstoff wird daher vor allem durch
Strahlung aus dem heissen Feuerraum von oben erhitzt und zur Zündung gebracht,
gleichzeitig herrschen in den unteren Brennstoffschichten geringere Temperaturen unterhalb
der Zündgrenze. Das Brennstoffbett zündet also von oben nach unten durch, während die
Luft von unten, also dem Reaktionsablauf entgegen gerichtet, zugeführt wird. Dies ergibt für
die Trocknung, Entgasung und Durchzündung ungünstige Voraussetzungen.
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Wanderrost mit Wurfbeschickung
Der Wanderrost ist eine ausgezeichnete Feuerung zur Verbrennung von Kohle und Koks,
hingegen ist er in seiner Grundform weniger für Holzbrennstoffe geeignet. Die Bedingungen
für Zündung, Schürung und Ausbrennen des Holzes sind ungünstig. Eine Möglichkeit zur
Verbesserung der Verbrennungsbedingungen in der Wanderrostfeuerung besteht darin,
anstatt der üblichen Brennstoffzuführung direkt auf den Rost, eine Brennstoffaufgabe durch
Aufwerfen oder Aufblasen durchzuführen. Entsprechende Entwicklungen in dieser Richtung
haben bereits Anfang der 1950er Jahre zu einer Lösung geführt, die aus einer Wurffeuerung
mit hochgesetztem Wurfapparat besteht, wie sie in Abbildung 6 veranschaulicht ist.
Abbildung 6 Links: Wurfbeschickung mit Schleuderrad (Bauart Babcockwerke, Oberhausen, 1950);
Rechts: Pneumatischer Wurfapparat mit Verteilerplatte zur Einstellung der Flugbahn.
Es werden zwei Arten von Wurfapparaturen verwendet: mechanische und pneumatische. Die
mechanischen Wurfapparate bestehen aus einem Schleuderrad mit mehreren aufgesetzten
Flügeln. Die Drehachse des Schleuderrades steht waagerecht oder senkrecht. Der
Brennstoff wird von oben auf das Schleuderrad aufgegeben und dann mit Hilfe der Flügel
des Schleuderrades in den Feuerraum eingeworfen. Durch Änderung der Drehzahl des
Schleuderrades kann die Wurfweite eingestellt werden. Mechanische Verteiler haben sich
jedoch in der Praxis nicht immer bewährt, da einerseits bei festen Brennstoffen das mit hoher
Geschwindigkeit rotierende Schleuderrad einem hohen Verschleiss unterworfen ist,
andererseits bei leichten und flockigen Biomassebrennstoffen die mechanischen
Wurfapparate nicht zufriedenstellend funktionieren. Gebräuchlicher sind daher pneumatische
Wurfbeschicker, deren prinzipieller Aufbau auf der rechten Hälfte der Abbildung 6 skizziert
ist. Aus dem Fallschacht fällt der Brennstoff auf eine Verteilerplatte, die mit einer Luftdüse
angeblasen wird. Der Luftstrom reisst den Brennstoff mit sich in den Feuerraum. Über eine
Verstellung des Anstellwinkels der Verteilerplatte kann die Flugbahn des Brennstoffs
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Wanderrost mit Wurfbeschickung
eingestellt werden. Die Wurfweite wird über eine sich langsam drehende Klappe, die sich in
der Luftzuführung befindet, periodisch verändert, um eine gleichmässige Verteilung der
Brennstoffstücke auf dem Rost zu gewährleisten.
Aufblasen und Aufwerfen unterscheiden sich in den Flugbahnen der verschiedenen
Kornfraktionen. Während beim Aufblasen das Feinkorn weiter getragen wird als das
Grobkorn, haben beim Aufwerfen die groben Brennstoffstücke die längere Flugbahn und
treffen auf dem hinteren Rostbereich auf, während mittlere und kleine Brennstoffteilchen auf
der Rostmitte bzw. auf der Vorderseite des Rostes landen. Bei mechanischen
Wurfvorrichtungen läuft deshalb der Rost generell entgegengesetzt zur Wurfrichtung.
Dadurch wird erreicht, dass der Brennstoff entsprechend seiner Teilchengrösse die für einen
vollständigen Ausbrand notwendige Verweilzeit auf dem Rost verbleibt. Die grossen, auf der
Hinterseite des Rostes aufgetroffenen Brennstoffstücke haben dann auch den längsten
Ausbrennweg zur Verfügung. Aber auch bei pneumatischen Wurfvorrichtungen wird
bisweilen ein rückwärts laufender Rost eingesetzt.
Die wesentlich bessere Verbrennung infolge der Wurfbeschickung ist dadurch zu erklären,
dass das Feinkorn des Brennstoffs bereits im Fluge zündet und eine Staubflamme bildet und
somit erst gar nicht auf dem Rost auftrifft. Durch das Verbrennen des Feinanteils im Fluge
wird der Rost von Feinkorn entlastet und das Zusammenbacken der Brennstoffschicht auf
dem Rost wird verhindert. Der gröbere Brennstoff wird entsprechend dem Korngewicht und
der Einstellung durch die Wurfapparate gleichmässig über einen weiten Teil des Rostes
verteilt. Aufgrund der weitreichenden Trocknung und Entgasung während des Fluges können
die groben Brennstoffteilchen beim Auftreffen auf dem Glutbett sofort zünden und das
vorhandene Grundfeuer fortlaufend unterstützen. Auch werden etwa vorhandene Löcher im
Grundfeuer zugeschüttet. Da die Brennstoffschicht von oben beschickt wird, brennt sie von
unten fortschreitend ab. Die Asche bildet sich nicht auf und in der Brennstoffschicht, sondern
unter dem Brennstoffbett auf dem Rost. Die Verluste an Unverbranntem in der Asche und
durch Rostdurchfall werden kleiner. Die Entlastung des Rostes von Feinkorn und die
Verteilung des groben Brennstoffs über eine grössere Rostfläche ermöglichen auch bei
schwierigen Brennstoffen eine gleichmässige Schichtdurchlässigkeit und damit eine
geordnete Luftzuteilung. Bei gleichmässiger Beschickung ist der Luftbedarf über einen
grossen Teil der Rostlänge fast der gleiche. Daher wird teilweise auf eine Unterteilung des
Rostes in Unterwindzonen verzichtet. Für den Ausbrand ist es dabei besonders günstig,
dass die von der Brennstoffaufgabe unabhängige Rostgeschwindigkeit jetzt in erster Linie
nach den Ausbrandbedingungen eingestellt werden kann, während die Brennstoffmenge von
der Aufgabevorrichtung geregelt wird. Die Bewegungsgeschwindigkeit eines Wanderrostes
mit Wurfbeschickung ist im Vergleich mit üblichen Wanderrosten bei gleicher Belastung 6 bis
8 mal kleiner.
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Wanderrost mit Wurfbeschickung
Mit der Wurfschwebefeuerung können eine Vielzahl von Biomassebrennstoffen mit bis zu
50% Feuchtigkeit und bis zu 45% Aschengehalt gefeuert werden. Das Heizwertspektrum
reicht von 10 bis 17 MJ/kg. Weil ein Grossteil des Brennstoffs nicht auf dem Rost sondern im
Schwebezustand verbrennt, und durch die Verbesserung des Reaktionsablaufs am Rost wird
eine erhebliche Steigerung der Rostflächenbelastung bis auf 2 MW/m 2 erreicht. Die
Wurfschwebefeuerung ist zudem ein sehr dynamisches Verbrennungssystem, das sehr
flexibel auf Laständerungen reagieren kann. Jedoch gibt es gegenüber der Rostfeuerung
strengere Anforderungen an die maximal zulässige Brennstoffgrösse. Rund 80% der
Brennstoffpartikel sollten eine Kantenlänge unter 100 mm haben, und das Kornspektrum
sollte relativ homogen zusammengesetzt sein, damit die Beschickung mit den
Wurfapparaten einwandfrei funktioniert. Es muss darauf geachtet werden, dass stets ein
Basisfeuer auf dem Rost vorhanden ist, so dass der in Schwebe befindliche Feinanteil sicher
zünden kann. Ebenso müssen Holzschnitzel und Holzstaub sehr sorgfältig gemischt werden,
damit eine gleichbleibende Korngrössenverteilung der Brennstoffmischung sichergestellt
werden kann. Denn die Erfahrung hat gezeigt, dass es bei schlechter Mischgüte zu
Verpuffungen im Feuerraum kommen kann.
In Abbildung 7 ist ein Ausführungsbeispiel einer Schwebefeuerung für Holzabfälle von der
Firma AET gezeigt. Der Dampferzeuger hat eine Leistung von 40 t/h. Der rechteckige
Feuerraum wird hoch und schlank ausgelegt, wobei der Feuerraum auf einem Drittel der
Höhe eine starke Einschnürung aufweist. Die Gesamthöhe des Feuerraums beträgt 15.5
Meter und das Feuerraumvolumen ist 197 m 3 . Der vorne abwerfende Wanderrost ist 3.2
Meter breit und 4.3 Meter tief. Bei einer Zufeuerung von 50% Frischholz und 50% Altholz
beträgt die Rostwärmebelastung 1.9 MW/m 2 und die Volumenbelastung liegt bei 160 kW/m 3 .
Vor der Kesselvorderwand ist ein Brennstoff-Dosierbehälter angeordnet, der einen nach
unten grösser werdenden, rechteckigen Querschnitt hat, um Brückenbildung zu vermeiden.
Am Boden des Dosierbehälters befinden sich drehzahlgeregelte Schneckenförderer, die den
Brennstoff in Fallschächte dosieren. Um mit Schnecken gut dosieren zu können, muss
darauf geachtet werden, dass sie immer komplett gefüllt sind. Schneckendosierer sind ideal
für Hackschnitzel, arbeiten aber weniger zufriedenstellend bei flockiger oder faseriger
Biomasse. In den Fallschächten sind Zellradschleusen eingebaut, um den Feuerraum nach
aussen hin abzudichten. In den Einblasesystemen treffen die Holzstücke auf einen
Luftstrom, der sie mit hoher Geschwindigkeit in die Flammen des Feuerraums trägt.
Unter dem ganzen Rost ist ein Luftkasten angebracht, dem ungefähr die Hälfte der
Verbrennungsluft zugeführt wird. Vom Luftkasten strömt die Primärlust durch die hängende
Rostkette aufwärts zur Rostfläche, wo sie durch Venturilöcher in den Rostelementen in das
Brennstoffbett geblasen wird. Die Primärluft wird also gleichmässig über den ganzen Rost
verteilt, eine Unterteilung des Wanderrostes in verschiedene Unterwindzonen gibt es nicht.
Ein Teil der Sekundärluft wird an der Stelle der Einschnürung mit Hochdruck-Luftdüsen dem
Feuerraum zugeführt. Jeweils zwei Reihen von Sekundärluftdüsen befinden sich in der
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Wanderrost mit Wurfbeschickung
Vorderwand und in der Hinterwand. Sie sind derart in der Einschnürung angeordnet, dass sie
die Luft nach unten gerichtet in den Feuerraum einblasen. Vorgesehen sind ferner eine
Reihe waagrechter Düsen oberhalb der Wurfapparate in der Vorderwand und zwei Reihen in
der Rückwand zwischen Rost und Einschnürung, mit denen die übrige Sekundärluft gestuft
dem Feuerraum zugeführt wird.
In der Umlenkung der Rauchgase vom zweiten in den dritten Kesselzug scheidet sich der
Flugkoks aus, der sich im Trichter unterhalb dieser Stelle ablagert. Der ausgeschiedene
Flugkoks wird mit einer wassergekühlten Schnecke aus dem Trichter ausgetragen und in ein
Rückführungsrohr dosiert, über das er einen Meter über dem Rost durch die Rückwand
wieder in den Feuerraum eingeblasen wird.
Abbildung 7 Wanderrostfeuerung mit Wurfbeschickung für Holzabfälle 3 .
3 Bildquelle: Aalborg Energie Technik
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Wirbelschichtfeuerung
4 Wirbelschichtfeuerung
Bei einer Wirbelschichtfeuerung wird der Brennstoff in eine heisse, wirbelnde Sandströmung
aufgegeben. Die Sandkörner werden von unten über einen Düsenboden von der
Verbrennungsluft angeströmt, so dass sie bei ausreichend hoher Strömungsgeschwindigkeit
aufgewirbelt werden. Charakteristisch für eine stationäre Wirbelschicht (SWS) ist, dass das
feste Sandbett von der Strömung angehoben und aufgelöst wird, dabei in einen
fluidähnlichen Zustand übergeht, während die Sandpartikel sich in einem Schwebezustand
befinden. Wird die Strömungsgeschwindigkeit soweit gesteigert, dass die Partikeln von der
Strömung mitgerissen und aus der Brennkammer ausgetragen werden, spricht man von
einer zirkulierenden Wirbelschicht (ZWS).
In stationären Wirbelschichten, die mit niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten bis zu 2.5 m/s
(Leerrohrgeschwindigkeit) betrieben werden, treten erhebliche Inhomogenitäten in Bezug auf
die Porosität und die Durchströmungsgeschwindigkeit auf. Es bilden sich feststoffarme
Gasblasen, deren Aufstiegsgeschwindigkeit in der Regel von der Fluidgeschwindigkeit
verschieden ist. Hingegen ist in zirkulierenden Wirbelschichten, wo höhere
Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich von 4.5 bis 7 m/s herrschen, der gesamte
Brennraum mit einer Gas-Feststoffsuspension ausgefüllt und es gibt kein eindeutig
abgegrenztes Wirbelbett und auch keine Gasblasen mehr.
Ein Dampferzeuger mit stationärer Wirbelschichtfeuerung ist in Abbildung 8 gezeigt. Bei der
stationären Wirbelschichtfeuerung ist anzustreben, dass ein möglichst hoher Anteil des
Brennstoffs im stationären Sandbett verbrennt und somit auch die Verbrennungswärme
möglichst vollständig im Sandbett freigesetzt wird. Entscheidend dafür ist eine gute
Einmischung des Brennstoffs in die Wirbelschicht, welche wiederum von der Grösse und
Dichte des Brennstoffs sowie vom Fluidisierungsfaktor der Wirbelschicht beeinflusst wird.
Der Fluidisierungsfaktor, also das Verhältnis der tatsächlichen Strömungsgeschwindigkeit
zur Lockerungsgeschwindigkeit des Festbetts, ist ein Mass für die Ausdehnung der
Wirbelschicht. Der Brennstoff mit der höheren Dichte weist eine bessere Wärmefreisetzung
in der Wirbelschicht auf als derjenige mit der geringeren Dichte. Ebenso steigt die
Wärmefreisetzung mit zunehmendem Fluidisierungsfaktor. Die Verfeuerung von leichten und
flockigen Biomassebrennstoffen wie beispielsweise Reisschalen, Sonnenblumenschalen,
Rapsschalen, Weizenkleine oder Strohhäcksel in einer stationären Wirbelschicht kann
insofern problematisch sein, da deren Einmischung in das Wirbelbett meist nicht gut gelingt.
Infolge der Feinkörnigkeit und der geringen Dichte tendieren diese Brennstoffe dazu, aus
dem Wirbelbett ausgetragen zu werden. Sie schwimmen entweder auf der Bettoberfläche auf
oder werden bis ins Freeboard getragen. Es entsteht dann ein sogenanntes Oberfeuer, d.h.
es kommt zu einer Verbrennung auf der Wirbelschicht oder im Freeboard. Es ist schwierig,
die Betttemperatur konstant zu halten, wenn die Verbrennungswärme im Freeboard
freigesetzt wird, ohne dass eine Wärmeübertragung an das Sandbett stattfindet.
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Wirbelschichtfeuerung
Abbildung 8 Dampferzeuger mit stationärer Wirbelschichtfeuerung von Babcock-Wilcox.
Abbildung 9 zeigt eine zirkulierende Wirbelschicht (ZWS) in der klassischen Bauart mit
einem Zyklon, der das wesentliche Unterscheidungsmerkmal einer ZWS gegenüber einer
SWS ist. Die Strömungsgeschwindigkeit ist so hoch, dass Brennstoffpartikel zusammen mit
Asche und Bettmaterial mit dem Rauchgasstrom aus der Brennkammer ausgetragen
werden. Das heisse Rauchgas strömt mit einer Staubbeladung von 10-20 kg/Nm 3 in den
Zyklon, in dem annähernd Feuerraumtemperatur von etwa 850°C herrscht. In der
Wirbelströmung des Zyklons werden die Rauchgase auf 25 bis 28 m/s beschleunigt. Durch
die Fliehkräfte werden die Staubpartikel an die Wand des Zyklons ausgeschleudert, und
fliessen dann in spiralförmigen Strähnen entlang der Konuswand in den
Staubsammelbehälter hinab, aus dem die heisse Asche in die Wirbelschicht zurück geführt
wird. Es werden vor allem die groben Staubpartikel über 100 μm abgeschieden, deren
Abscheidegrad bei 99% liegt, während feinere Partikel in die Kernströmung des Zyklons
mitgenommen und mit dem Rauchgas ausgetragen werden.
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Wirbelschichtfeuerung
Abbildung 9
Links: Zirkulierende Wirbelschicht mit Heisszyklon von Metso Power;
Rechts: Kompakter ZWS-Kessel von Foster Wheeler.
Von der heissen Ascheschicht wird viel Wärme auf die Zyklonwand übertragen. Um den
hohen Temperaturen widerstehen zu können und um die Wärmeverluste zu begrenzen,
werden die Zyklone mit einer 500-600 mm starken feuerfesten Ausmauerung ausgekleidet.
Die Feuerfestmaterialien sind einem starken Materialverschleiss unterworfen. Unter anderem
wegen der erforderlichen Zyklone ist eine ZWS kostspieliger als andere Feuerungssysteme.
Dabei sind nicht unbedingt die zusätzlichen Kapitalkosten relevant, sondern vielmehr die
zusätzlichen Betriebskosten, die durch den Unterhalt der Feuerfestausmauerung verursacht
werden.
Die zirkulierende Wirbelschicht mit Heisszyklon wurde ursprünglich von der Firma Lurgi
entwickelt. In den frühen 1990er Jahren wurde von Foster Wheeler eine neue Generation
von ZWS-Kesseln eingeführt. Das Neuartige an der Konstruktion von Foster Wheeler war,
dass man auf den externen, aufwendig aus einer Stahlhülle mit Feuerfestausmauerung
gefertigten Heisszyklon verzichtete, und stattdessen den Zyklon in die Kesselkonstruktion
integrierte. Die Staubabscheidung erfolgt also innerhalb des Dampferzeugers. Auf der
rechten Seite der Abbildung 9 ist der kompakte ZWS-Kessel von Foster Wheeler dargestellt.
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Wirbelschichtfeuerung
Der Zyklon wird vollständig aus Membranwänden ausgebildet, die in einer oktogonalen Form
direkt an der Brennkammerwand angebracht sind. Die Rauchgase strömen durch einen
schlitzförmige Öffnung in den Zyklon, in dem sich zur Erzeugung der erforderlichen
Drehströmung ein Tauchrohr befindet. Sand und Asche sedimentieren zur äusseren Wand
hin und werden in einem direkt an der Brennkammerwand angebrachten Kanal in den
unteren Bereich des Feuerraums zurückgeführt. Das Abscheidevermögen erreicht wegen
der suboptimalen Zyklongeometrie nicht die Werte eines konusförmigen Zyklons. In die
Sandrückführung wird von Foster Wheeler ein als Bettwärmetauscher ausgeführter HD-
Überhitzer eingebaut. Die Anordnung des Endüberhitzers an dieser Stelle bietet den Vorteil,
dass er nicht mit korrosiven Rauchgasen in Berührung kommt und dadurch sogar bei
Altholzfeuerungen Überhitzungstemperaturen von 500°C möglich sind.
Abbildung 10 Düsenboden von Babcock-Wilcox für eine stationäre Wirbelschicht.
Zur gleichmässigen Verteilung der Luft am Boden der Wirbelschicht werden Düsenböden mit
je nach Hersteller unterschiedlichen Bauformen eingesetzt. Abbildung 10 zeigt einen
Düsenboden von Babcock-Wilcox für eine stationäre Wirbelschicht, wie sie in Abbildung 8
dargestellt ist. Dieser Düsenboden ist aus zahlreichen, einzelnen Luftdüsen aufgebaut. Pro
Quadratmeter sind 60-80 Düsen mit einem Abstand von 100-150 mm angebracht, die aus
einem Rohrstück mit einem nach oben geschlossenem Kopfstück bestehen. Etwa 25 mm
unterhalb des Kopfendes sind auf zwei Ebenen schräg nach unten gerichtete Bohrungen mit
1.5 mm Durchmesser über den Umfang verteilt. Die Luftdüsen sind an ein gemeinsames
Luft-Verteilerrohr angeschweisst. Sie sind aus einem wärmebeständigen Edelstahl gefertigt,
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Wirbelschichtfeuerung
der den hohen Temperaturen standhalten kann, die insbesondere dann auftreten, wenn die
Wirbelschichtfeuerung abgefahren wird und das heisse Sandbett auf die Düsen absinkt,
ohne dass eine kühlende Luftströmung vorhanden ist. Vor dem Anfahren der Wirbelschicht
sind die Trichter bis zu den Luftdüsen mit Sand gefüllt. Im Betriebzustand, wenn die
Luftdüsen ihren vollen Druck entwickeln, schwillt das fluidisierte Sandbett bis auf eine Höhe
von 1'200-1'800 mm oberhalb der Luftdüsen an.
Eine völlig andere Konstruktion des Düsenbodens für eine SWS zeigt Abbildung 11. Statt
einzelner Luftdüsen ist der Düsenboden aus parallel nebeneinander liegenden
Düsenstangen aufgebaut. Die Düsenstangen haben auf der Unterseite Luftöffnungen, aus
denen die Luft schräg nach unten ausströmt. Bei dieser Konstruktion wurde darauf geachtet,
dass der Abstand der Düsenstangen entsprechend gross ist, damit Störstoffe durch den
Düsenboden nach unten in Abzugstrichter durchfallen können. Der in Abbildung 11 gezeigte
Düsenboden hat eine Fläche von 4x6 Meter, auf der eine Feuerungswärmeleistung von 30
MW freigesetzt wird.
Abbildung 11 Düsenboden einer stationären Wirbelschicht im Holzkraftwerk Neubrücke.
Wirbelschichten haben einen sehr viel höheren Druckverlust als Rostfeuerungen, weswegen
leistungsstärkere Luftgebläse erforderlich sind, die den Eigenstrombedarf der Feuerung
erhöhen. Ein Wirbelschichtbett besteht überwiegend aus Bettmaterial (Sand und Bettasche)
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Wirbelschichtfeuerung
und enthält meist nur 1-3 Gew.-% Brennstoff. Als Bettmaterial wird üblicherweise Quarzsand
mit einer Korngrösse von 0.5 – 1.5 mm verwendet. Die abrasiven Sandkörner werden in der
Wirbelschicht zermahlen und müssen daher permanent ersetzt werden. Der Sandverbrauch
einer stationären Wirbelschicht liegt je nach Anlage bei 30 bis 50 kg/h. Die abrasive Wirkung
der Sandkörner sorgt andererseits auch dafür, dass die Feuerraumwände einer
Wirbelschicht immer sauber bleiben und die von Rostfeuerungen bekannten Anbackungen
und Verschlackungen des Feuerraums nicht auftreten.
Ein Nachteil der Wirbelschichtfeuerung sind die deutlich höheren Aschemengen, die durch
den starken Abrieb der wirbelnden Sandkörner zustande kommen. Zudem wird auch die
Schlacke in der Wirbelschicht fein zermahlen und mit dem Abgas ausgetragen. Damit
verbunden ist ein Anstieg der Entsorgungskosten, da Flugasche zu höheren Kosten als
Schlacke entsorgt werden muss.
Aufgrund der Wärmespeichermasse des inerten Sandes bieten Wirbelschichtfeuerungen
eine grosse Flexibilität hinsichtlich des Heizwertes der einzusetzenden Brennstoffe. Es
können sowohl feuchte Rinde und stark wasserhaltige Schlämme mit niedrigen Heizwerten
als auch heizwertreiche Abfälle aus der Papier- und Zellstoffindustrie eingesetzt werden. Das
Heizwertspektrum reicht von 6 bis 30 MJ/kg. Vor allem aber sind Wirbelschichtfeuerungen
für Brennstoffe mit hohen Heizwerten geeignet, da der Brennraum aufgrund der hohen
Leistungsdichte kompakter dimensioniert werden kann als der Feuerraum einer
Rostfeuerung. Die Nachteile einer Wirbelschichtfeuerung entstehen vor allem durch die
hohen Anforderungen an die maximale Stückgrösse und das enge Korngrössenspektrum
des Brennstoffs. Um eine möglichst homogene Fluidisierung in der Wirbelschicht zu
erreichen, müssen Brennstoffpartikel und Sandkörner eine ähnliche Sinkgeschwindigkeit im
Strömungsfeld haben. In einer Wirbelschicht müssen daher kleinere Brennstoffpartikel mit
einer schmäleren Grössenverteilung (typisch 90% < 75 mm) eingesetzt werden als in einer
Rostfeuerung. Eine Wirbelschicht reagiert sehr empfindlich gegenüber Änderungen der
Brennstoffgrösse, die daher möglichst genau eingehalten werden muss. Wegen der hohen
Anforderungen an die Homogenität der Brennstoffpartikel ist bei einer Wirbelschichtfeuerung
fast immer auch eine Brennstoffaufbereitungsanlage für die Zerkleinerung und Klassierung
des Brennstoffs erforderlich. Durch diesen zusätzlichen technischen und energetischen
Aufwand sind die Brennstoffkosten für eine Wirbelschichtfeuerung generell höher als bei
einer Rostfeuerung.
Die gute Durchmischung von Brennstoff und Verbrennungsluft und der um ein Vielfaches
bessere Wärmetransport in einer Wirbelschicht führen zu einer homogenen
Temperaturverteilung im gesamten Verbrennungsraum und zu hohen Leistungsdichten.
Durch die gleichmässigen und relativ niedrigen Verbrennungstemperaturen von
typischerweise 850°C werden in einer Wirbelschichtfeuerung keine thermischen Stickoxide
gebildet. Und die aufgrund des Brennstoffstickstoffs sich bildenden Stickoxide werden bereits
in der Wirbelschicht grösstenteils zu elementarem Stickstoff reduziert. Denn aufgrund der
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Wirbelschichtfeuerung
gestuften Verbrennungsführung herrschen in der Wirbelschicht unterstöchiometrische
Bedingungen, die zu erhöhten Gehalten von Kohlenstoff und Kohlenmonoxid führen, die als
starke Reduktionsmittel wirken. Im Vergleich zu einer Rostfeuerung mit ihren
ungleichmässigen Verbrennungsabläufen, die durch lokale Überhitzungen und
Unterkühlungen zur Bildung von Schadstoffen führen können, sind die resultierenden NO X -
Konzentrationen nach einer Wirbelschichtfeuerung deutlich tiefer. Typische NO X -
Konzentration in den Rauchgasen von Wirbelschichtfeuerungen liegen jeweils bei 6%
Sauerstoff unter 400 mg/Nm 3 bei SWS und unter 200 mg/Nm 3 bei ZWS.
In Tabelle 2 sind technische Daten der stationären und der zirkulierenden Wirbelschicht
angegeben. Die SWS ist eher für kleinere Dampferzeuger mit Dampfleistungen unterhalb
von 100 t/h geeignet. Im Vergleich zu einer ZWS ergeben sich bei einer SWS Kostenvorteile
durch eine preisgünstigere Konstruktion, da der Kessel mit geringerer Höhe gebaut werden
kann und kein Zyklon notwendig ist. Hingegen ist die ZWS wegen ihrer aufwändigeren
Bauweise eine teure Technik, die erst ab einer bestimmten Kraftwerksgrösse wirtschaftlich
eingesetzt werden kann. ZWS-Dampferzeuger werden bis zu Dampfleistungen von 2'000 t/h
gebaut.
Tabelle 2 Technische Daten der stationären und der zirkulierenden Wirbelschicht
Parameter SWS ZWS
Temperatur 800 - 950°C 800 - 950°C
Kesselleistung < 100 t/h 100 - 2'000 t/h
Leerrohrgeschwindigkeit 1.8 – 2.5 m/s 4.5 - 7.0 m/s
Ausbrand 92 - 96% 98 - 99%
Korngrösse des Sandes 0.5 - 1.5 mm 0.1 - 0.3 mm
Rostflächenbelastung 1.5 MW/m 2 5 - 7 MW/m 2
Druckverlust 0.05 - 0.1 bar 0.1 - 0.2 bar
Bettdichte 720 kg/m 3 -
Primärluft/Sekundärluft 90/10 60/40
Eigenverbrauch 27-33 kW/MW th 26 kW/MW th
Verweilzeit in Wirbelbett und Freeboard 2.5 - 3.0 sec 4.0 - 5.5 sec
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Vergleich der Feuerungsbauarten
5 Vergleich der Feuerungsbauarten
Die zur Holzverbrennung eingesetzten Feuerungstechniken haben deutliche Unterschiede in
ihren feuerungstechnischen Leistungsgrössen. Die Rostflächenbelastung eines
Vorschubrostes von unter 1 MW/m 2 kann bei einer Wanderrostfeuerung mit
Wurfbeschickung bis auf 2 MW/m 2 gesteigert werden. Die thermische Volumenbelastung der
Feuerräume liegt bei beiden Rostbauarten im Bereich von 100-200 kW/m 3 . Um die
Rostwärme- und Feuerraumbelastung einer Rostfeuerung auf den zulässigen Bereich zu
begrenzen, müssen Feuerrost und Feuerraum entsprechend gross dimensioniert werden.
Das Einsatzgebiet der Rostfeuerungen endet aus diesem Grund bei
Feuerungswärmeleistungen von etwa 70 MW bei Vorschubrosten und bei 100 MW bei
Wanderrosten mit Wurfbeschickung. Wirbelschichtkessel, die mit grösseren
Flächenbelastungen und rund 10-fach höheren Feuerraumbelastungen ausgeführt werden
können, eignen sich für Feuerungswärmeleistungen bis 400 MW.
Die Rostfeuerung hat ihre Stärken bei grobkörnigen Biomassebrennstoffen und vor allem bei
heterogenen, abfallähnlichen Altholzbrennstoffen, weil die Anforderungen an die
Aufbereitung der Brennstoffe minimal sind und weil sich die Technik durch eine robuste und
betriebssichere Konstruktion auszeichnet. Eine Schwäche der Rostfeuerung ist die
schwierige Verbrennungsführung bei schnell wechselnder Brennstoffbeschaffenheit. Trotz
aufwändiger Regelsysteme sind immer wieder Eingriffe des Betriebspersonals nötig, um
potentielle Schadstoffquellen, wie heisse Stellen oder die Bildung von Löchern im Feuer zu
vermeiden. Viele Betreiber klagen auch immer wieder über zahlreiche Betriebsprobleme mit
Rostfeuerungen wegen Verschlackungen der Feuerraumwände.
Der Wanderrost mit Wurfbeschickung, der im Englischen auch als Spreader Stoker
bezeichnet wird, zeichnet sich dadurch aus, dass die Verbrennung sowohl im Flug als auch
auf einem Rost stattfindet, wobei der Rost nur als Ausbrennrost für den groben Anteil des
Brennstoffes dient. Aufgrund der Verbrennung des Feinanteils im Flug werden bereits 35-
50% der Wärme im Feuerraum und nicht auf dem Rost freigesetzt. Auf diese Weise wird bei
gleicher Rostfläche fast doppelt so viel Wärme freigesetzt als bei einer Vorschubrostfeuerung.
Dies ermöglicht eine sehr kompakte Bauweise. Ein weiterer besonderer Vorteil
einer Wurfschwebefeuerung gegenüber einer Vorschubrostfeuerung ist ihre Elastizität, d.h.
die Feuerung kann Schwankungen des Kraft- und Wärmebetriebs rasch folgen.
Wurffeuerungen und Wirbelschichten haben generell höhere Anforderungen an die
Brennstoffqualität. Der Brennstoff muss im Vergleich zur Vorschubrostfeuerung feinkörniger
sein und sollte vor allem eine möglichst einheitliche Korngrössenverteilung haben. In der
Regel muss der Brennstoff dafür zusätzlich aufbereitet werden, was Mehrkosten verursacht.
Auch gibt es Biomassebrennstoffe, die aufgrund ihrer leichten und flockigen Struktur für eine
Wirbelschicht nicht geeignet sind, da sie aufschwimmen und aus dem Wirbelbett ins
Freeboard ausgetragen werden.
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Vergleich der Feuerungsbauarten
Wirbelschichtfeuerungen sind den Rostfeuerungen deutlich überlegen, wenn Brennstoffe mit
einem hohen Wassergehalt, oder einem hohen Aschengehalt, oder mit einem geringen
Gehalt an flüchtigen Bestandteilen zu verbrennen sind. Für die gleichzeitige Verfeuerung
verschiedener Biomassebrennstoffe mit unterschiedlichen verbrennungstechnischen
Eigenschaften sind daher Wirbelschichten am besten geeignet. In dem heissen und
turbulenten Sandbett einer Wirbelschicht ist auch bei schlechten Brennstoffsortimenten der
Zünd- und Ausbrandvorgang gegenüber dem Vorschubrost wesentlich begünstigt.
Brennstoffe mit sehr geringen Heizwerten von weniger als 6 MJ/kg können noch in einer
Wirbelschicht verbrannt werden.
Tabelle 3 Technische Daten und Leistungsgrössen der Feuerungstechniken zur Holzverbrennung
Vorschubrost
Wanderrost mit
Wurfbeschickung
Wirbelschicht
Feuerungswärmeleistung
10 - 70 MW 10 - 100 MW 50 - 400 MW
Brennstoffheizwert
8 - 11 MJ/kg mit
10 - 13 MJ/kg mit
6 - 30 MJ/kg
Verwendung von
Verwendung von
vorgewärmter
vorgewärmter
Verbrennungsluft;
Verbrennungsluft;
11 - 16 MJ/kg mit
13 - 17 MJ/kg mit
Verwendung von
Verwendung von
Rauchgas-Rezirkulation
Rauchgas-
Rezirkulation
Rostflächenbelastung
< 0.85 MW/m 2 1 - 1.9 MW/m 2 1.5 - 7 MW/m 2
Feuerraumbelastung 0.1-0.2 MW/m 3 0.2 MW/m 3 1-2 MW/m 3
Stückigkeit der
Brennstoffe
überwiegend
grobstückige Struktur,
80% kleiner 250x50x25
mm Kantenlänge;
Brennstoffhomogenität
weniger kritisch
überwiegend kleinstückige Struktur, d.h. 80%
haben ca. 100x25x25 mm Kantenlänge;
hohe Brennstoffhomogenität erforderlich
Staubanteil < 1 mm < 5% < 10% < 20%
Aufbereitung 1-stufig mit Vorbrecher 2-stufig mit Vorbrecher und Nachzerkleinerung
Luftzahl 1.6 1.25 1.25 - 1.3
Primärluft 60% 30% 20%
Sekundärluft 40% 70% 80%
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