Holzvergaser Heizkessel

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Holzvergaser Größenvergleich

Theorie der Holzverbrennung

Eine effiziente und vollständige Verbrennung ist unabdingbar, um Holz als umweltverträglichen Brennstoff nutzen zu können. Außer einer hohen
Energieausnutzung muss der Verbrennungsvorgang die Destruktion des Holzes gewährleisten und verhindern, dass umweltbelastende Verbindungen
entstehen.

Um eine Verbrennung aufrecht zu erhalten, müssen bestimmte Voraussetzungen erfüllt sein.
• Es muss eine starke Vermischung von Brennstoff und Sauerstoff (Luft) in einem bestimmten Verhältnis gewährleistet sein.
• Die Wärme des angezündeten Brennstoffs muss auf den neuen Brennstoff ausstrahlen, damit der Verbrennungsprozess ablaufen kann.

Es ist wichtig zu verstehen, dass Gase wie Flammen brennen, feste Partikel glühen und dass bei der Verbrennung von Holz ca. 80% der Energie als Gas und der Rest aus dem Koksrückstand freigesetzt wird.

Bei der Vermischung von Brennstoff und Luft muss ein guter Kontakt zwischen dem Sauerstoff der Luft und den brennbaren Bestandteilen des Holzes erreicht werden. Je besser der Kontakt, umso schneller und besser die Verbrennung. Bei gasförmigen Brennstoffen, z.B. Erdgas, ist die Vermischung optimal, denn es gibt zwei luftförmige Stoffe, die im gewünschten Verhältnis gemischt werden können. Die Verbrennung kann schnell erfolgen, damit ist auch die Regulierung schnell, da mehr oder weniger
Brennstoff zugeführt werden kann. Um mit Holz eine in etwa gleiche Situation zu erreichen, muss das Holz sehr fein zermahlen werden (wie Mehl). Diese feinen Holzpartikel folgen den Bewegungen der Luft. Hierdurch kann eine gute Vermischung erreicht werden mit einer Verbrennung, die einer Gas- oder Ölflamme ähnelt. Die Herstellung von Holzpulver ist allerdings so teuer, dass Holzpulver in D.nur in begrenztem Umfang verwendet wird. Normalerweise wird Holz in Größen von Hackschnitzel bis Scheitholz als Brennstoff genutzt.

Die Verbrennungstechnologie für Holz und andere feste Brennstoffe ist daher schwieriger und komplizierter als bei erdgas- oder ölbefeuerten Anlagen.


Phasen der Verbrennung


Um verbrennen zu können, muss der Brennstoff drei Phasen durchlaufen - siehe
auch Schaubild 13.
• Trocknung
• Entgasung und Verbrennung
• Ausbrennen des Kokses

Wenn das Holz erwärmt wird, beginnt das Wasser von der Oberfläche zu verdampfen. Danach geschieht zweierlei:
teils beginnt die Holzoberfläche zu entgasen - zu pyrolysieren (die Erhitzung eines Brennstoffs ohne Zusatz eines Vergasungsmittels, z.B. Sauerstoff und Wasser,
wird als Pyrolyse bezeichnet) - , teils steigt die Temperatur im Inneren des Holzes, so dass auch das Wasser aus den tiefer liegenden Holzschichten verdampft.
Das Wasser verdampft nach und nach, und der Bereich, der pyrolysiert wird, breitet sich aus.
Das freigesetzte Gas entzündet sich über dem Brennstoff, die Wärme strahlt zurück und sorgt für eine fortgesetzte Verdampfung und Pyrolyse. Der Verbrennungsvorgangläuft jetzt von selbst ab.
Das entgaste Holz wird zu glühendem Koks (Holzkohle), der mit Sauerstoff umgesetzt wird, bis nur noch Asche übrig ist.


Aschegehalt
Der Brennstoff enthält verschiedene Unreinheiten in Form unbrennbarer Bestandteile - Asche. Asche an sich ist unerwünscht, denn sie erfordert, dass die
Partikel aus den Rauchgasen abgefiltert werden müssen und Asche und Schlacke anschließend entsorgt werden.
DieAsche im Holz stammt in erster Linie von Erde und Sand in der Rinde. Ein kleinerer Teil stammt von Salzen, die der Baum während seines Wachstums aufgenommen
hat.
Die Asche enthält außerdem Schwermetalle, die eine Umweltbelastung darstellen.
Allerdings ist der Schwermetallgehalt generell niedriger als bei anderen festen Brennstoffen.Ein Charakteristikum von Asche sind die wärmedämmenden Eigenschaften. Bei Kaminöfen bildet die Ascheschicht am Boden eine heiße Fläche, die das Ausbrennen der Holzkohle fördert. Bei rostbefeuerten Anlagen trägt der Aschegehalt
dazu bei, den Rost gegen die Wärmestrahlung der Flammen zu schützen. Das Holz enthält Salze, die wichtig für den Verbrennungsprozess sind. Es
handelt sich primär um Kalium (K) und teils Natrium (Na). K und Na ergeben eine klebrige Asche, die zu Belägen im Kessel führen kann. Der Na- und
K-Gehalt in Holz liegt normalerweise so niedrig, dass bei den herkömmlichen Verbrennungstechnologien keine Probleme auftreten.


Flüchtige Bestandteile

Holz und andere Biomasse enthält ca.
80% flüchtige Stoffe (in % TS). Das heißt, dass die Holzbestandteile bei Erwärmung 80% ihres Gewichts als Gase freisetzen, der Rest ist Holzkohle. Dies
ist u.a. der Grund dafür, dass ein Sack Holzkohle viel leichter ist, als sein Volumen vermuten lässt. Die Holzkohle hat im Wesentlichen das ursprüngliche Volumen
des frischen Holzes behalten, aber 80% des Gewichtes verloren.
Der hohe Gehalt an flüchtigen Bestandteilen bedeutet, dass die Verbrennungsluft grundsätzlich über der Brennstoffschicht (Sekundärluft) zugeführt werden
muss, wo das Gas verbrennt, und nicht unter der Brennstoffschicht (Primärluft).


Luftüberschuss


Um stöchiometrisch umgesetzt zu werden, erfordert ein bestimmter Brennstoff eine bestimmte Menge Luft (Sauerstoff), entsprechend einer Luftüberschusszahl
(Lambda) von 1. Der Brennstoff wird stöchiometrisch umgesetzt, wenn genau die Sauerstoffmenge vorhanden ist, die für das Umsetzen des Brennstoffes unter
idealen Bedingungen erforderlich ist.
Wird mehr Sauerstoff zugeführt, als gleich 1 entspricht, enthalten die Rauchgase Sauerstoff. Bei gleich 2 beispielsweise wird doppelt so viel Luft wie zur
Verbrennung des Brennstoffes erforderlich zugeführt.Normalerweise erfolgt die Verbrennung immer mit einer Luftüberschusszahl > 1, da eine stöchiometrische Luftmenge keine befriedigende Verbrennung ergibt. Tabelle 12 zeigt die typischen Luftüberschusszahlen und den daraus resultierenden Sauerstoffgehalt (in %) in den Rauchgasen.
Wie Tabelle 12 zeigt, hängt die Luftüberschusszahl in hohem Maße von der Verbrennungstechnologie und in einem gewissen Maße vom Brennstoff ab.


Brennstoffgröße

Je größer die Brennstoffpartikel sind, desto länger dauert die Verbrennung. Eine Hand voll Sägespäne, die in ein Feuer geworfen wird, brennt schnell. Hier besteht guter Kontakt zwischen Brennstoff und Luft, da die kleinen Partikel schnell trocknen, vergasen und brennen und somit eine hohe Verbrennungsintensität erzielt wird.
Legt man stattdessen ein Holzscheit ins Feuer, dauert es erheblich länger, bis es ausgebrannt ist. Man kann dies mit einem Braten vergleichen, der in die Bratröhre geschoben wird: selbst nach einer Stunde ist er in der Mitte noch nicht durchgebraten. Die Brennstoffgröße ist also von großer Bedeutung für die Verbrennungsgeschwindigkeit.

Feuchtegehalt

Der Feuchtegehalt des Brennstoffs reduziert den durch den Heizwert, Hn,v ausgedrückten Energiegehalt, da ein Teil der Energie für die Verdampfung des Wassers aufgewendet werden muss.

Trockenes Holz hat einen hohen Heizwert, und die bei der Verbrennung entstehende Wärme muss aus dem Feuerraum abgeleitet werden, damit es nicht zu Überhitzung
und daraus resultierenden Materialschäden kommt. Nasses Holz hat einen geringen Heizwert pro kg Gesamtgewicht, und damit die Wärme nicht entweicht
und der Verbrennungsvorgang ablaufen kann, muss die Verbrennung isoliert werden. Dazu wird die Feuerstelle typisch mit feuerfesten und wärmedämmenden
Steinen ausgemauert. Der Feuerraum ist daher normalerweise so ausgelegt, dass Holz in einem bestimmten Feuchteintervall verbrannt werden kann.
Bei einem Feuchtegehalt des Holzes von über 55-60% des Gesamtgewichts kann ein Verbrennungsvorgang nur sehr schwer aufrecht erhalten werden.


Umwelt

Der Brennstoff beeinflusst die Verbrennungsqualität. Bei vollständiger Verbrennung bilden sich Kohlendioxid (CO2) und
Wasser (H2O). Eine verkehrte Kombination von Brennstoff, Anlagentyp und Luftzufuhr kann zu einer schlechten Brennstoffnutzung
und einer daraus folgenden Umweltbelastung führen.

Eine wirkungsvolle Verbrennung erfordert:
• ausreichend hohe Temperatur
• ausreichenden Sauerstoffüberschuss
• ausreichende Verweildauer
• ausreichende Vermischung

Dies gewährleistet eine geringe Emission von Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffen und polyaromatischen Kohlenwasserstoffen
(PAK) sowie einen geringen Gehalt an unverbranntem Kohlenstoff in der Schlacke. Leider sind diese Bedingungen (hohe Temperatur, hoher
Luftüberschuss, lange Verweildauer) auch eine wesentliche Ursache für die Bildung von NOx. Die eingesetzte Technologie muss daher Verfahren umfassen,
die zu einer geringeren NOx -Emission führen.
Die Rauchgase enthalten außer CO2 und H2O Luft (O2 , N2 und Ar) sowie größere oder kleinere Mengen unerwünschter Reaktionsprodukte wie CO,
Kohlenwasserstoffe, PAK, NOx u.a.