Feuerung - Axpo-Holz

Feuerungstechnik
Zur Verfeuerung von Holz und anderen Biomasse-Brennstoffen werden im Grunde drei un-
terschiedliche Feuerungstechnologien benutzt: die Rostfeuerung, die Wirbelschichtfeuerung
und die Wurfschwebefeuerung, in welcher Merkmale aus den beiden anderen Feuerungsar-
ten vereinigt sind. Alle drei Feuerungstechniken sind in grossen Holzkraftwerken im Einsatz,
und die verschiedenen Meinungen und Ansichten, für welche Fälle sich eine bestimmte Feu-
erungstechnik bzw. Rostbauart am besten eignet, sind immer wieder Gegenstand leiden-
schaftlicher Diskussionen. Im Folgenden sollen die Konstruktionen und die Eigenschaften
dieser drei Feuerungsarten dargestellt und basierend auf den mittlerweile gemachten Erfah-
rungen die spezifischen Vor- und Nachteile insbesondere mit Sicht auf die Holzverbrennung
aufgezeigt werden.
Rostfeuerung
Die Rostfeuerung ist heute die verbreitetste Feuerungstechnik für Holzbrennstoffe. In grösse-
ren Holzkraftwerken werden fast ausschliesslich Schrägroste eingesetzt, die mit einer Nei-
gung von 15-25 Grad im Feuerraum angeordnet sind. Der Brennstoff wird am oberen Ros-
tende mittels einer hydraulisch betätigten und vollautomatisch regelbaren Einschubeinrich-
tung auf den Rost aufgegeben. Bewegliche Roststäbe sorgen dafür, dass sich die Brenn-
stoffschicht zum unteren Rostende bewegt und dabei ausbrennt. Unterhalb des Rostendes
befindet sich ein Schlackentrichter, durch den die Schlacke schliesslich in einen mit Wasser
gefüllten Nassentascher niederfällt.
Abbildung 1 zeigt den Rost des Holzkraftwerks Domat/Ems, auf dem eine Feuerungswärme-
leistung von 38 MW freigesetzt wird. Der Rost ist 4.4 Meter breit und 10.85 Meter lang, die
zusammenhängende Rostfläche von 47.7 m 2 besteht aus 2 Rostbahnen. Man erkennt die
treppenförmig angeordneten Roststabreihen. Das kennzeichnende Prinzip eines derartigen
Treppenrostes besteht darin, dass sich fixierte Roststabreihen mit beweglichen Roststabrei-
hen abwechseln. Die beweglichen Roststäbe schieben jeweils über die fixierte Reihe. Da-
durch wird der Brennstoff vorgeschoben und fällt auf die darunter liegende Roststabreihe.
Zur Erzielung einer kräftigen Schürwirkung erfolgt Vorschub und Zurückziehen der Roststab-
reihe meist stossartig, worauf eine Pause in der Bewegung eintritt.
Die Beschickung muss so gesteuert werden, dass das Holz über die ganze Rostbreite
gleichmässig verteilt aufgegeben wird. Ebenso muss darauf geachtet werden, dass der Rost
auch auf seiner gesamten Länge gleichmässig mit Holz bedeckt ist, und ein ungleichmässi-
ges Abbrennen der Brennstoffschicht sowie die Bildung von Löchern im Feuer vermieden
wird. Denn ungleichmässige Verbrennungsabläufe können zur starken Bildung von NOX und
CO führen. So verursacht eine lokale Überhitzung die NOX-Bildung und eine lokale oder
kurzzeitige Unterkühlung die CO-Bildung.
Axpo Holz + Energie AG | Dr.-Ing. Markus Franz 1

Rostfeuerungen werden mit Unterwind betrieben, d.h. die Luft wird von unten durch Schlitze
zwischen den Roststäben und an den Frontseiten der Roststäbe dem Brennstoffbett zuge-
führt. Über eine Aufteilung der Verbrennungsluftzufuhr auf einzelne Rostzonen kann die
Luftmenge entlang des Rostes variiert werden. Rostfeuerungen werden meist mit hohen
Luftüberschusszahlen von λ = 1.6 betrieben, was insbesondere beim Verfeuern von Frisch-
holz zu einer kalten Verbrennung führen kann, so dass die Wände des Feuerraums mit
Mauerwerk zu isolieren sind, um hohe CO-Emissionen zu vermeiden. Und die Montage als
auch der Unterhalt von Mauerwerk ist teuer. In Abbildung 1 sind zudem Luftdüsen in den
Seitenwänden des Feuerraums zu erkennen, durch welche Sekundärluft bzw. Rezirkulati-
onsgas in den Feuerraum eingeblasen wird, um Turbulenz zu erzeugen und dadurch Sträh-
nenbildung im Rauchgasstrom zu verhindern.
Abb. 1: Luftgekühlter Treppenrost, Axpo Tegra AG, Domat/Ems.
Auf dem Rost bilden sich unterschiedliche Verbrennungszonen aus. Der Brennstoff durch-
läuft zuerst eine Trocknungszone, die bevorzugt mit vorgewärmter Verbrennungsluft versorgt
wird, um eine schnelle Trocknung und sichere Zündung der frisch zugeführten Hackschnitzel
zu gewährleisten. In der sich anschliessenden heissen Hauptverbrennungszone wird die
grösste Luftmenge zugegeben; in der wieder kälteren Nachverbrennungszone wird nur noch
die für einen vollständigen Ausbrand der Rückstände notwendige Luft eingeblasen. Die
Verbrennungsluft wird passend für die vorhandene Holzart und Holzfeuchte auf die einzelnen
Rostzonen aufgeteilt. Ebenso wird die Rostelementgeschwindigkeit so eingestellt, um für den
vorhandenen Brennstoff die optimalen Verweilzeiten in den Trocknungs-, Entgasungs- und
Ausbrandzonen des Rostes zu erhalten.
Axpo Holz + Energie AG | Dr.-Ing. Markus Franz 2

Abb. 2: Seitenansicht eines Treppenrostes. Jede zweite Roststabreihe ist beweglich und
kann über die feststehende Roststabreihe (rote Färbung) geschoben werden.
Die zahlreichen Eingriffsmöglichkeiten, die eine Rostfeuerung bietet, und mit denen das
Feuer auf dem Rost gezielt beeinflusst und an unterschiedliche Holzarten und Holzfeuchten
angepasst werden kann, werden dann zum Nachteil, wenn der Brennstoff sich ändert. Denn
in diesem Fall müssen alle Einstellungen neu gefunden werden. Insbesondere bei schnell
ändernder Feuchtigkeit der Holzschnitzel 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 geeig-
net. Die üblichen Schnitzelgrössen liegen im Bereich von 50 bis 300 mm. Die Grössenvertei-
lung der Schnitzel ist unkritisch, d.h. es kann ein breites Spektrum an Schnitzelgrössen auf
den Rost aufgegeben werden. Auch die Verbrennung von unzerkleinerten, sperrigen Holz-
resten wäre möglich, jedoch sind die in einem Holzkraftwerk eingesetzten Brennstoffförde-
rungs- und Dosiereinrichtungen oftmals nicht dafür geeignet. Problematisch für eine Rost-
feuerung sind jedoch sehr feine Brennstoffe. Besonders Sägemehl kann entweder unver-
brannt durch die Roststäbe in den Ascheraum durchfallen, was den Ausbrand der Schlacke
Axpo Holz + Energie AG | Dr.-Ing. Markus Franz 3

verschlechtert, oder mit dem Abgas aus dem Feuerraum ausgetragen werden, was zu er-
höhten CO-Emissionen führt.
Für eine Rostfeuerung sind Brennstoffe mit einem Heizwert zwischen 8 und 16 MJ/kg geeig-
net. 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 3 ist ein
luftgekühlter Rost gezeigt, dessen Roststäbe aufgrund zu hoher thermischer Beanspruchung
verbrannt sind.
Abb. 3: Verbrannte Roststäbe infolge zu hoher thermischer Belastung.
Wurfschwebefeuerung (Spreader Stoker)
Die Wurfschwebefeuerung, die auch als Spreader Stoker bezeichnet wird, zeichnet sich da-
durch aus, dass die Verbrennung sowohl in Schwebe als auch auf einem Rost stattfindet. In
Abbildung 4 ist eine Wurfschwebefeuerung gezeigt. Der Brennstoff wird mit Wurfapparaten
(Spreader), von denen mehrere nebeneinander angeordnet sind, in den Feuerraum einge-
worfen. Am Boden des Feuerraums befindet sich ein Wanderrost. Grosse Brennstoffpartikel
haben eine lange Flugbahn und treffen auf der Hinterseite des Rosts auf, mittlere und kleine
Partikel landen auf der Rostmitte bzw. auf der Frontseite des Rostes. Die Brennstoffteilchen
werden also ihrer Grösse entsprechend auf dem Rost verteilt. Während ihres Fluges im Feu-
Axpo Holz + Energie AG | Dr.-Ing. Markus Franz 4

erraum findet eine weitreichende Trocknung und Entgasung der Brennstoffpartikel statt, was
eine sofortige Zündung beim Auftreffen auf dem Rost bewirkt.
Der Wanderrost befördert das ca. 50-80 mm dünne, brennende Brennstoffbett mit einer sehr
geringen Geschwindigkeit von ungefähr 1 Meter pro Stunde in Richtung des Schlackentrich-
ters, der sich auf der Beschickungsseite des Feuerraums befindet. D.h. die Bewegungsrich-
tung des Rostes ist der Wurfrichtung entgegengesetzt. Dadurch wird erreicht, dass die
Brennstoffteilchen entsprechend ihrer Teilchengrösse die für einen vollständigen Ausbrand
notwendige Verweilzeit auf dem Rost verbleiben. Die grossen, auf der Hinterseite des Ros-
tes aufgetroffenen Brennstoffstücke, die den längsten Weg zurücklegen, haben auch die
längste Verweilzeit für einen vollständigen Ausbrand zur Verfügung.
Abb. 4: Wanderrost mit Wurfbeschickung.
Infolge der Wurfbeschickung verbrennt der Feinanteil des Brennstoffs bereits im Flug und
trifft erst gar nicht auf dem Rost auf. Die zur Zündung des Feinanteils notwendige Energie
wird von der Ofenstrahlung geliefert. Auf diese Weise werden bereits 35-50% der Wärme im
Feuerraum und nicht auf dem Rost freigesetzt werden. Dies ist ein wesentliches Charakteris-
tikum und einer der Gründe für die kompakte Bauweise einer Wurfschwebefeuerung.
Der Wanderrost ist als ein endlose Rostband ausgeführt, das über zwei Wellen umgelenkt
wird. Der in Abbildung 6 dargestellte Wanderrost hat schuppenartig aufeinanderliegende
Roststäbe, die um zwei Zapfen drehbar gelagert sind. Sobald sie über das hintere Umkeh-
rende des Rosts gewandert sind, schwingen sie einzeln ohne Berührung miteinander nach
unten aus, wobei Asche und Schlacke, die sich zwischen den Roststäben angesammelt ha-
Axpo Holz + Energie AG | Dr.-Ing. Markus Franz 5

en, abgeworfen werden. Die gute Selbstreinigung des Rostes wird noch durch das Aufein-
anderschlagen der Rostglieder beim Umkippen verstärkt.
Abb. 6: Hinteres Umkehrende eines Schuppenwanderrostes.
Es werden zwei Arten von Wurfapparaturen verwendet: mechanische und pneumatische. Die
mechanischen Wurfapparate bestehen aus einem Schleuderrad mit mehreren auf einem
Drehteller aufgesetzten Flügeln. Die Drehachse des Schleuderrades steht senkrecht. Der
Brennstoff wird von oben auf das Schleuderrad aufgegeben und dann mit Hilfe der Flügel
des Schleuderrades waagerecht in den Feuerraum eingeworfen. Durch Änderung der Dreh-
zahl 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. Die Skizze eines pneumatischen
Einblassystems ist in Abbildung 5 gezeigt. Der Brennstoff fällt auf eine Verteilerplatte, die mit
einer Luftdüse angeblasen wird. Der Luftstrom reisst den Brennstoff mit sich in den Feuer-
raum. In der Luftzuführung befindet sich eine rotierende Klappe, mit der eine für den Brenn-
stoffwurf vorteilhafte pulsierende Luftströmung erzeugt wird. Über eine Einstellung des An-
stellwinkels der Verteilerplatte kann zudem die Flugbahn des Brennstoffs korrigiert werden.
Axpo Holz + Energie AG | Dr.-Ing. Markus Franz 6

Abb. 5: Pneumatischer Wurfapparat mit Verteilerplatte zur Einstellung der Flugbahn.
In Abbildung 7 ist das Zuteilsystem der dänischen Firma AET gezeigt. Der Brennstoff wird
kontinuierlich aus einem Dosierbehälter mit drehzahlgeregelten Schnecken in Fallschächte
dosiert. In den Fallschächten sind Zellradschleusen eingebaut, um den Feuerraum nach
aussen hin abzudichten. Um mit Schnecken gut dosieren zu können, muss darauf geachtet
werden, dass sie immer komplett gefüllt sind. Schneckendosierer sind ideal für Hackschnit-
zel, arbeiten aber weniger zufriedenstellend bei flockiger oder faseriger Biomasse.
Nach den Erfahrungen der dänischen Firma AET, die die Brennkammern ihrer Wurfschweb-
efeurungen generell ohne Ausmauerung baut, wird man in einem Feuerraum ohne Mauer-
werk und mit intensiver und turbulenter Verbrennung niedrige Emissionswerte erzielen, wenn
die adiabatische Verbrennungstemperatur im Intervall von 1300-1400°C liegt. Falls die Tem-
peratur über 1400°C liegt, wird die Bildung von thermischem NOX erhöht. Und falls die Tem-
peratur unter 1300°C liegt, wird CO gebildet.
Axpo Holz + Energie AG | Dr.-Ing. Markus Franz 7

Abb. 7: Zuteilsystem von AET für eine Wurfschwebefeuerung.
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, sind hohe Rostflächenbelastungen über 2 MW/m 2 realisierbar.
Jedoch gibt es gegenüber der Rostfeuerung strengere Anforderungen an die maximal zuläs-
sige Brennstoffgrösse. Rund 80% der Brennstoffpartikel sollten eine Kantenlänge unter 100
mm haben, damit die Beschickung mit den Wurfapparaten einwandfrei funktioniert. Und das
Kornspektrum sollte relativ homogen zusammengesetzt sein, da die Schwebefeuerung ge-
genüber der Rostfeuerung empfindlicher bei Änderungen der Brennstoffkörnung reagiert.
Insgesamt sind die Unterschiede zur Rostfeuerung erheblich und ausschlaggebend für die
Vorzüge, die eine Wurfschwebefeuerung hat. Aufgrund der Verbrennung in der Schwebe
wird bei gleicher Rostfläche und Feuerraumvolumen fast doppelt so viel Wärme freigesetzt
als bei einer Rostfeuerung. Dies ermöglicht eine sehr kompakte Bauweise. Ein weiterer be-
sonderer Vorteil von Wurfschwebefeuerungen gegenüber Rostfeuerungen ist ihre Fähigkeit,
Belastungsänderungen rasch folgen zu können. Die Kombination aus Schwebefeuerung und
Rostverbrennung macht die Wurfschwebefeuerung zu einem dynamisch reaktionsfähigen
System.
Axpo Holz + Energie AG | Dr.-Ing. Markus Franz 8

Wirbelschichtfeuerung
Bei einer Wirbelschichtfeuerung wird der Brennstoff zusammen mit Sand von unten über ei-
nen Düsenboden von der Verbrennungsluft angeströmt. Bei ausreichend hoher Strömungs-
geschwindigkeit werden die Sandkörner und Brennstoffpartikel aufgewirbelt, und es bildet
sich eine schwebende, fliessende Wirbelschicht aus. Die Schüttung aus Sand und Brennstoff
befindet sich dann in einem vollständigen Schwebezustand, der charakteristisch für eine sta-
tionäre Wirbelschicht (SWS) ist. Wird die Strömungsgeschwindigkeit soweit gesteigert, dass
sie die Sinkgeschwindigkeit der Einzelpartikel erreicht, dann werden die Partikeln aus der
Brennkammer ausgetragen. Man spricht dann 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 Gas-
blasen, deren Aufstiegsgeschwindigkeit in der Regel von der Fluidgeschwindigkeit verschie-
den ist. In zirkulierenden Wirbelschichten herrschen höhere Strömungsgeschwindigkeiten im
Bereich von 4.5 bis 7 m/s. Dies führt dazu, dass der gesamte Brennraum mit einer Gas-
Feststoff-Suspension ausgefüllt ist und es kein definiert abgegrenztes Wirbelbett und auch
keine Gasblasen mehr gibt.
Die SWS ist eher für kleinere Dampferzeuger mit Dampfleistungen unterhalb von 100 t/h ge-
eignet. Im Vergleich zu einer ZWS kann eine SWS günstiger gebaut werden. Die Kostenvor-
teile bestehen bei der preisgünstigeren Konstruktion, da der Kessel mit geringerer Höhe ge-
baut werden kann und kein Zyklon notwendig ist, und bei dem geringeren Eigenverbrauch,
da kleinere Ventilatoren ausreichend sind. Hingegen ist die ZWS wegen ihrer aufwändigeren
Bauweise eine teure Technik, die daher erst ab einer bestimmten Kraftwerksgrösse wirt-
schaftlich eingesetzt werden kann. ZWS-Dampferzeuger werden bis zu Dampfleistungen von
2000 t/h gebaut.
Abbildung 8 zeigt eine zirkulierende Wirbelschicht (ZWS) in der klassischen Bauart mit ei-
nem 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 wer-
den. Das heisse Rauchgas strömt mit einer Staubbeladung von 10-20 kg/Nm 3 in den Zyklon,
in dem die Feststoffe abgeschieden und wieder in die Wirbelschicht zurückgeführt werden.
Im Zyklon herrscht annähernd die gleiche Temperatur von etwa 850°C wie im gesamten
Feuerraum. Zyklone sind die einzigen bei derart hohen Temperaturen grosstechnisch ein-
setzbaren Staubabscheider.
Axpo Holz + Energie AG | Dr.-Ing. Markus Franz 9

Abb. 8: Zirkulierende Wirbelschicht mit Heisszyklon von Metso Power.
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 die Konuswand in den Staubsammelbehälter
hinab, aus dem die heisse Asche in die Wirbelschicht zurück geführt wird. Der Abschei-
degrad eines Zyklons für Staubpartikel über 100 μm liegt bei 99%. Die Abscheideleistung für
feinere Partikeln ist allerdings nur mässig, denn diese können in die Kernströmung mitge-
nommen und mit dem Rauchgas ausgetragen werden.
Von der heissen Ascheschicht wird viel Wärme auf die Zyklonwand übertragen. Um den ho-
hen Temperaturen widerstehen zu können und um die Wärmeverluste zu begrenzen, werden
die Zyklone mit einer 500-600 mm dicken feuerfesten Ausmauerung ausgekleidet. Die Feu-
erfestmaterialien sind durch die abrasiven Stäube, die mit hoher Geschwindigkeit auf die
Zyklonwand auftreffen, einem starken Materialverschleiss unterworfen. Unter anderem we-
gen der erforderlichen Zyklone ist eine ZWS kostspieliger als andere Feuerungssysteme.
Dabei sind nicht unbedingt die zusätzlichen Kapitalkosten relevant, sondern vielmehr die zu-
sätzlichen Betriebskosten, die durch den Unterhalt der Feuerfestausmauerung verursacht
werden.
Axpo Holz + Energie AG | Dr.-Ing. Markus Franz 10

Abb. 12: Kompakter ZWS-Kessel von Foster Wheeler.
Die zirkulierende Wirbelschicht mit Heisszyklon wurde ursprünglich von der Firma Lurgi ent-
wickelt. 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. In Abbildung 12 ist der
kompakte ZWS-Kessel von Foster Wheeler dargestellt. Der Zyklon ist vollständig aus Memb-
ranwänden aufgebaut, die in einer oktogonalen Form direkt an der Brennkammerwand an-
gebracht 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 Brennkam-
merwand positionierten Kanal in den unteren Bereich des Feuerraums zurückgeführt. Erwar-
tungsgemäss verschlechtert sich das Abscheidevermögen durch die suboptimale Zyklonge-
ometrie und erreicht nicht die Werte eines konusförmigen Zyklons.
Axpo Holz + Energie AG | Dr.-Ing. Markus Franz 11

In die Sandrückführung wird von Foster Wheeler ein als Bettwärmetauscher ausgeführter
HD-Überhitzer eingebaut. Die Anordnung des Endüberhitzers an dieser Stelle bietet den Vor-
teil, dass er nicht mit korrosiven Rauchgasen in Berührung kommt und dadurch sogar bei
Altholzfeuerungen Überhitzungstemperaturen von 500°C möglich sind.
Abb. 9: Düsenboden von Babcock-Wilcox für eine stationäre Wirbelschicht.
Zur gleichmässigen Verteilung der Luft am Boden der Wirbelschicht werden Düsenböden
eingesetzt, die je nach Hersteller in unterschiedlichen Bauformen ausgeführt werden. Die
Abbildungen 9 und 10 zeigen einen Düsenboden von Babcock-Wilcox für eine stationäre
Wirbelschicht. Dieser Düsenboden ist aus zahlreichen, einzelnen Luftdüsen aufgebaut. Pro
Quadratmeter sind 60-80 Düsen angebracht, entsprechend einem Düsenabstand von 100-
150 mm. Die aus einem Rohrstück mit einem nach oben geschlossenen Kopfstück beste-
henden Luftdüsen sind an ein gemeinsames Luft-Verteilerrohr angeschweisst. 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 aus einem wärmebe-
ständigen Edelstahl gefertigt, damit sie den hohen Temperaturen standhalten, die dann auf-
treten, wenn die Wirbelschichtfeuerung abgefahren wird und das heisse Sandbett auf die
Düsen absinkt, ohne dass eine kühlende Luftströmung vorhanden ist.
Axpo Holz + Energie AG | Dr.-Ing. Markus Franz 12

Abb. 10: Düsenboden einer Wirbelschichtfeuerung.
Eine völlig andere Konstruktion des Düsenbodens für eine SWS zeigt Abbildung 11. Statt
einzelner Luftdüsen ist der Düsenboden aus parallel nebeneinander liegenden Düsenstan-
gen 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 durchtreten können. Unterhalb des Düsenbodens sind Abzugstrichter angeord-
net, über die Störstoffe ausgetragen werden. Der in Abbildung 11 gezeigt Düsenboden hat
eine Fläche von 4x6 Meter, auf der eine Feuerungswärmeleistung von 30 MW freigesetzt
wird.
Vor dem Anfahren der Wirbelschicht sind die Trichter bis zu den Luftdüsen bzw. Düsenstan-
gen mit Sand gefüllt. Im Betriebzustand, wenn die Luftdüsen ihren vollen Druck entwickeln,
schwillt das fluidisierte Sandbett bis auf eine Höhe von 1200 mm oberhalb der Luftdüsen an.
Wirbelschichten haben einen sehr viel höheren Druckverlust als Rostfeuerungen, weswegen
leistungsstärkere Luftgebläse erforderlich sind, die den Eigenstrombedarf der Feuerung er-
höhen.
Ein Wirbelschichtbett besteht überwiegend aus Bettmaterial (Sand und Bettasche) und ent-
hält meist nur 1-3 Gew.-% Brennstoff. Als Bettmaterial wird üblicherweise Quarzsand mit ei-
ner Korngrösse von 0.5 – 1.5 mm verwendet. Die abrasiven Sandkörner werden in der Wir-
belschicht zermahlen und müssen daher permanent ersetzt werden. Der Sandverbrauch ei-
Axpo Holz + Energie AG | Dr.-Ing. Markus Franz 13

ner 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 Wirbel-
schicht immer sauber bleiben und die von Rostfeuerung bekannten Anbackungen und Ver-
schlackungen des Feuerraums nicht auftreten.
Ein Nachteil der Wirbelschichtfeuerung sind die deutlich höheren Aschemengen, die in einer
Wirbelschicht erzeugt werden. Die wirbelnden Sandkörner bewirken einen starken Abrieb,
wodurch auch Schlackepartikel fein zermahlen und mit dem Abgas aus der Wirbelschicht
ausgetragen werden. Damit verbunden ist ein Anstieg der Entsorgungskosten, da Flugasche
zu höheren Kosten als Schlacke entsorgt werden muss.
Abb. 11: Düsenboden einer stationären Wirbelschicht im Holzkraftwerk Neubrücke.
Aufgrund der Wärmespeichermasse des inerten Sandes bieten Wirbelschichtfeuerungen ei-
ne grosse Flexibilität hinsichtlich des Heizwertes der einzusetzenden Brennstoffe. Es können
sowohl feuchte Rinde und stark wasserhaltige Schlämme mit niedrigen Heizwerten einge-
setzt werden, als auch heizwertreiche Abfälle aus der Papier und Zellstoffindustrie. Das
Heizwertspektrum reicht von 6 bis 30 MJ/kg. Vor allem aber sind Wirbelschichtfeuerungen
Axpo Holz + Energie AG | Dr.-Ing. Markus Franz 14

für Brennstoffe mit hohen Heizwerten geeignet, da der Brennraum aufgrund der hohen Leis-
tungsdichte kompakter dimensioniert werden kann als der Feuerraum einer Rostfeuerung.
Die Nachteile einer Wirbelschichtfeuerung entstehen vor allem durch die hohen Anforderun-
gen, die an die Stückgrösse und Grössenverteilung des Brennstoffs gestellt werden müssen.
Um eine möglichst homogene Fluidisierung in der Wirbelschicht zu erreichen, d.h. Brenn-
stoffpartikel und Sandkörner müssen eine ähnliche Sinkgeschwindigkeit im Strömungsfeld
haben, müssen in einer Wirbelschicht kleinere Brennstoffpartikel mit einer schmäleren Grös-
senverteilung (typisch 90% < 75 mm) eingesetzt werden als in einer Rostfeuerung. Eine Wir-
belschicht reagiert sehr empfindlich gegenüber Änderungen der Brennstoffgrösse, die daher
möglichst genau eingehalten werden muss. Wegen der hohen Anforderungen an die Homo-
genität der Brennstoffpartikel ist bei einer Wirbelschichtfeuerung fast immer auch eine
Brennstoffaufbereitungsanlage für die Zerkleinerung und Klassierung des Brennstoffs erfor-
derlich. Durch diesen zusätzlichen technischen und energetischen Aufwand sind die Brenn-
stoffkosten 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 Temperaturver-
teilung im gesamten Verbrennungsraum und zu hohen Leistungsdichten. Durch die gleich-
mässigen und relativ niedrigen Verbrennungstemperaturen von typischerweise 850°C wer-
den in einer Wirbelschichtfeuerung keine thermischen Stickoxide gebildet. Dennoch entste-
henden Stickoxide, die durch Oxidation von Brennstoffstickstoff gebildet werden. Das theore-
tische NOX-Bildungspotential pro Prozent Brennstoffstickstoff beträgt 3'800 mg/Nm 3 . Auf-
grund der bei Wirbelschichtfeuerungen üblichen gestuften Verbrennungsführung herrschen
in der Wirbelschicht unterstöchiometrische Bedingungen, die zu erhöhten Gehalten von Koh-
lenstoff und Kohlenmonoxid führen. Diese wirken als starke Reduktionsmittel, welche die
Stickoxide grösstenteils zu elementarem Stickstoff reduzieren. Die einer Wirbelschicht inhä-
renten physikalischen und chemischen Prozesse machen die Wirbelschichtfeuerung zu einer
emissionsarme Verbrennungstechnologie. Im Vergleich zu einer Rostfeuerung mit ihren un-
gleichmässigen Verbrennungsabläufen, die durch lokale Überhitzungen und Unterkühlungen
zur starken Bildung von Schadstoffen führen können, sind die resultierenden NOX-
Konzentrationen nach einer Wirbelschichtfeuerung deutlich tiefer. Typische NOX-
Konzentration in den Rauchgasen von Wirbelschichtfeuerungen bei 6% Sauerstoff sind:
SWS: < 400 mg/Nm 3
ZWS: < 200 mg/Nm 3
Bei der stationären Wirbelschichtfeuerung ist anzustreben, dass ein möglichst hoher Anteil
des Brennstoffs im Sandbett verbrennt. Der Anteil der im Bett freigesetzten Verbrennungs-
wärme wird als Wärmeentbindung bezeichnet. Eine hohe Wärmeentbindung lässt sich durch
eine gute Durchmischung von Brennstoff in der Wirbelschicht realisieren. Für die Durchmi-
schung entscheidend sind die Grösse und Dichte des Brennstoffs sowie der Fluidisierungs-
Axpo Holz + Energie AG | Dr.-Ing. Markus Franz 15

faktor der Wirbelschicht. Der Brennstoff mit der höheren Dichte weist eine bessere Wärme-
entbindung auf als derjenige mit der geringeren Dichte. Ebenso steigt die Wärmeentbindung
mit zunehmendem Fluidisierungsfaktor.
Die Verfeuerung von leichten und flockigen Biomassebrennstoffen wie beispielsweise Reis-
schalen, Sonnenblumenschalen, Rapsschalen, Weizenkleine oder Strohhäcksel in einer sta-
tionären Wirbelschicht kann daher problematisch sein, da deren Einmischung in das Wirbel-
bett meist nicht gut gelingt. Infolge der Feinkörnigkeit und der geringen Dichte tendieren die-
se 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 so-
genanntes Oberfeuer, d.h. es kommt zu einer Verbrennung auf der Wirbelschicht oder im
Freeboard. Es ist schwierig, die Betttemperatur zu halten, wenn die Verbrennungswärme im
Freeboard freigesetzt wird, ohne dass eine Wärmeübertragung ans Bett stattfindet.
Parameter SWS ZWS
Temperatur 800 - 950°C 800 - 950°C
Kesselleistung < 150 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
Wärmefreisetzung (Flächenbelastung) 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/MWth 26 kW/MWth
Verweilzeit (Wirbelbett und Freeboard) 2.5 - 3.0 sec 4.0 - 5.5 sec
Axpo Holz + Energie AG | Dr.-Ing. Markus Franz 16

Fazit
Die Wahl für das eine oder andere Feuerungssystem richtet sich nach der vorgesehenen
Feuerungswärmeleistung und des zur Verfügung stehenden Brennstoffs. Das chemische
und physikalische Verhalten eines Brennstoffs sowie seine Körnigkeit bzw. Konsistenz stel-
len an die Feuerungstechnik ganz bestimmt Anforderungen. Eine gewisses Feuerungssys-
tem eignet sich daher für manche Brennstoffsorten besser als eine anderes.
Die Rostfeuerung hat ihre Stärken bei grobkörnigen Biomassebrennstoffen und vor allem bei
heterogenen, problematischen, abfallähnlichen Altholzbrennstoffen, weil die Anforderungen
an die Aufbereitung der Brennstoffe minimal sind und weil sich die Technik durch eine robus-
te und betriebssichere Konstruktion auszeichnet. Eine Schwäche der Rostfeuerung ist die
schwierige Verbrennungsführung bei schnell wechselnder Brennstoffbeschaffenheit. Trotz
komplizierter Regelsysteme sind immer wieder Eingriffe des Betriebspersonals nötig, um po-
tentielle Schadstoffquellen, wie heisse Stellen oder die Bildung von Löchern im Feuer zu
vermeiden. Viele Betreiber klagen auch immer wieder über zahlreich Betriebsprobleme mit
Rostfeuerungen wegen enormen Schlackenbildungen an den Feuerraumwänden.
Die gleichzeitige Verwendung verschiedener Biomassebrennstoffe mit stark unterschiedli-
chen Eigenschaften ist in Wirbelschichten am problemlosesten möglich. Wirbelschichtfeue-
rungen sind den Rostfeuerungen deutlich überlegen, wenn Brennstoffe mit einem hohen
Wassergehalt, oder einem hohen Aschengehalt, oder mit einem geringen Gehalt an flüchti-
gen Bestandteilen zu verbrennen sind. In dem heissen und turbulenten Sandbett einer stati-
onären als auch zirkulierenden Wirbelschicht werden solcherart schlechte Brennstoffe mit
angemessener Verweilzeit genügend getrocknet, um dann leicht zu zünden und vollständig
auszubrennen. Brennstoffe mit sehr geringen Heizwerten von weniger als 6 MJ/kg können
noch in einer Wirbelschicht verbrannt werden.
Die Wurfschwebefeuerung vereint Merkmale der Rostfeuerung und der Wirbelschichtfeue-
rung. Wie in einer Wirbelschicht wird der Brennstoff teilweise in der Schwebe verbrannt,
gleichwohl befindet sich am Boden der Brennkammer auch ein Rost, auf dem der übrige Teil
des Brennstoffes verbrennt. Mit Wurfschwebefeuerungen werden fast sämtliche Biomasse-
brennstoffe verfeuert, die sich für die Wurfbeschickung eignen, besonders jedoch Holzhack-
schnitzel zusammen mit Holzstaub. Es muss darauf geachtet werden, dass stets ein Basis-
feuer auf dem Rost vorhanden ist, damit der in Schwebe befindliche Feinanteil sicher zünden
kann. Ebenso ist eine gleichbleibende Korngrössenverteilung des Brennstoffs wichtig, was
bedeutet, dass Holz und Staub sehr sorgfältig gemischt werden müssen. Denn die Erfahrung
hat gezeigt, dass es bei schlechter Mischgüte zu Verpuffungen im Feuerraum kommen kann.
Die Wurfschwebefeuerung ist zudem ein sehr dynamisches Verbrennungssystem, das sehr
flexibel auf Laständerungen reagieren kann.
Axpo Holz + Energie AG | Dr.-Ing. Markus Franz 17

Wurfschwebefeuerungen und Wirbelschichten haben generell höhere Anforderungen an die
Brennstoffqualität. Der Brennstoff muss im Vergleich zur Rostfeuerung 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
Biomassebrennstoff, die oftmals zu leicht und zu flockig sind, um in einer Wirbelschicht effi-
zient verbrannt zu werden, da diese Brennstoffe nicht im Wirbelbett bleiben, sondern ins
Freeboard ausgetragen werden.
Feuerungswärme-
leistung
Brennstoffheizwert 8 - 11 MJ/kg mit Verwendung
von vorge-
Rostflächen-
belastung
Stückigkeit der
Brennstoffe
zulässiger Stauban-
teil < 1 mm
Vorschubrost Wurfschwebe-
feuerung
Wirbelschicht
10 - 70 MW 10 - 110 MW 50 - 400 MW
wärmterVerbrennungs- luft;
11 - 16 MJ/kg mit Ver-
wendung von Rauch-
gas-Rezirkulation
10 - 13 MJ/kg mit Ver-
wendung von vorge-
wärmterVerbren- nungsluft;
13 - 17 MJ/kg mit Ver-
wendung von Rauch-
gas-Rezirkulation
6 - 30 MJ/kg
< 0.85 MW/m 2 1.3 - 2.0 MW/m 2 1.5 - 7 MW/m 2
überwiegend grobstü-
ckige Struktur, d.h. ca.
80% haben ca.
250x50x25 mm Kanten-
länge;
Brennstoffhomogenität
weniger kritisch
überwiegend kleinstückige Struktur, d.h. 80%
haben ca. 100x25x25 mm Kantenlänge;
hohe Brennstoffhomogenität erforderlich
< 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%
Axpo Holz + Energie AG | Dr.-Ing. Markus Franz 18

Die vorgestellten Feuerungstechnologien haben auch deutliche und für den richtigen
Einsatzbereich massgebende Unterschiede in ihren feuerungstechnischen Leistungsgrös-
sen. Die auf praktischen Erfahrungen basierenden thermischen Feuerraumbelastungen
betragen bei Rostfeuerungen ca. 100-200 kW/m 3 . In Wirbelschichten können hingegen 10-
fach höhere Leistungsdichten realisiert werden. Um die Rostwärme- und Feuerraumbelas-
tung einer Rostfeuerung auf den zulässigen Bereich zu begrenzen, müssen Feuerrost und
Feuerraum entsprechend gross dimensioniert werden. Das bedeutet, das Einsatzgebiet der
Rostfeuerung endet bei Feuerungswärmeleistungen von etwa 70 MWth. Wurfschwebefeue-
rungen werden bis etwa 110 MWth gebaut und Wirbelschichtfeuerungen können aufgrund
sehr viel höherer Feuerraumbelastungen mit Feuerungswärmeleistungen bis 400 MW th ge-
baut werden.
Axpo Holz + Energie AG | Dr.-Ing. Markus Franz 19