Beim Verbrennungsprozess treten im Glutbett physikalische Veränderungen der Asche auf. Je nach Temperaturniveau kommt es zu verschiedenen charakteristischen Temperaturpunkten. Ein wichtiges Kriterium ist der Ascheerweichungspunkt. Er gibt die Temperatur an, bei der die Asche sich zu modifizieren beginnt. Dieser ist stark abhängig von der eingesetzten Biomasse und liegt bei Holz wesentlich höher als bei Ganzpflanzen. Stellt man den Zusammenhang zwischen den Schwefel- und den Chlorgehalt und der Erweichungstemperatur her, so ist ersichtlich, dass jeweils steigende Gehalte auch zu einer Erhöhung der Ascheerweichungstemperatur führen (Bild 3 und Bild 4).
Bild 3: Einfluss des Schwefelgehaltes auf die Ascheerweichungstemperatur
Obrázek 3: Vliv obsahu síry na teplotu měknutí popele
Bild 4: Einfluss des Chlorgehaltes auf die Ascheerweichungstemperatur
Obrázek 4: Vliv obsahu chlóru na měknutí popele (teplotu)
Die Untersuchungen haben aber auch gezeigt, dass die Elemente Silizium (Si), Eisen (Fe), Magnesium (Mg), Kalzium (Ca), Aluminium (Al), Kalium (K) und Natrium (Na) die Ascheschmelztemperatur beeinflussen. So steigt diese bei Vorhandensein von Si, Fe, Mg, Ca sowie Al und verringert sich bei Anteilen von K und Na. Genauerer Zusammenhänge werden weiteren Untersuchungen vorbehalten bleiben.
Um Vorhersagen über das Verschlackungsverhalten in Brennkammern machen zu können, wird bis heute die Ascheerweichungstemperatur als Haftkriterium herangezogen. Ist die Partikeltemperatur beim Auftreffen auf eine Feuerraumwand größer als die Erweichungstemperatur, so wird das Partikel an der Wand kleben bleiben.
4 Verschlackung und Verschmutzung / Zastruskování a zašpinění
Bei der Verbrennung fester Biomassen werden die vorhandenen mineralischen Bestandteile zu Schlacke und Asche umgewandelt. Dieser Prozess kann zu Verschmutzungen der Brennkammerwände und der (konvektiven) Heizflächen führen und entsprechende Probleme im Betrieb verursachen.
Schmutzschichten verschlechtern den Wärmeübergang, wodurch die Rauchgase weniger gekühlt werden und mit erhöhter Abgastemperatur abströmen. Von Verschlackung spricht man, wenn der Ansatz so dick ist, dass seine der Flamme zugekehrte Oberfläche dauernd flüssig ist, d. h. sich im Schmelzfluss befindet. Sie kommen dann vor, wenn die Temperaturen der Flamme über der Schmelztemperatur der Aschebestandteile liegen. Die Ascheteilchen erstarren auf der kalten Rohrwand und verfestigen sich zu Ansätzen. Ansätze haben eine körnig-poröse Struktur und sind nicht so fest. Sie bilden sich aus Flugstaub, der sich anlagert und verfestigt. Anwehungen sind Ablagerungen aus losem Flugstaub und im allgemeinen unproblematisch (Bild 5).
Bild 5: Arten der Heizflächenverschmutzung
Obrázek 5: Druhy znečištění teplosměnných ploch
5 Einflussfaktoren der Ansatzbildung / Faktory ovlivňující tvorbu nánosů
Die Ansatzbildung ist nicht einheitlich. Ihre Einflussfaktoren (Bild 6) sind vielschichtig. Menge und Zusammensetzung können variieren. Untersuchungen deuten darauf hin, dass vor allem der Calcium-, Magnesium- und Kaliumgehalt die Ansatzbildung entscheidend beeinflusst.
Bild 6: Einflussfaktoren der Ansatzbildung (Auswahl)
Obrázek 6: Faktory ovlivňující tvorbu nánosů (výběr)
Halmartige Biomassen weisen einen deutlich höheren Chlorgehalt auf, der zu einer erhöhten Hochtemperaturkorrosion an den Heizflächen führen kann und auch relativ hohe PCDD/F- und HCl-Emissionen verursacht. Chlor wird durch mineralische Düngemittel in die Pflanze eingetragen und ist an der Bildung von Chlorwasserstoffen (HCl) beteiligt. Eine wesentliche Rolle spielt bei den Korrosionsangriffen das Zusammenwirken von Chlor und Schwefel (Bild 8). Als korrosionsfördernd gelten vor allem Biomassen mit hohen Chlor- und niedrigen Schwefelgehalten (z. B. Stroh). Zur Abschätzung des Korrosionsrisikos werden in der Praxis Kennzahlen gebildet. Im Bild 9 sind deutliche Korrosionsschäden an Verdampferrohren bei der Mitverbrennung von Biomasse (Regelbrennstoff: Kohle) zu erkennen.
Bild 7: Temperaturverlauf
Obrázek 7: Průběh teploty
Bild 8: S-/Cl-Verhältnis ausgewählter Biomassen
Obrázek 8: poměr S/Cl vybarných druhů biomasy
Bild 9: Verdampferrohre mit versinterten Belägen (www.verbund.at)
Obrázek 9: Trubky výparníku se sintrovanými nánosy
Die Asche, die beispielsweise bei der Verbrennung von Getreide entsteht, fängt bei Temperaturen um 730 °C an zu schmelzen (Ascheerweichungspunkt). Im Brennraum können dadurch Ascheklumpen entstehen, die den Rost und die Luftzuführung zusetzen (Verschlackung). Es resultiert ein zusätzlicher Wärmeübergangswiderstand und damit ein Temperaturverlust im Medium (Bild 7).
Bis Ende des Feuerraumes müssen die Rauchgase durch Strahlungswärme-übertragung an die Feuerraumwände auf beziehungsweise unter die Ascheer-weichungstemperatur abgekühlt werden, um eine Verschmutzung der nachfolgenden konvektiven Heizflächen zu vermeiden. Durch Ablagerungen auf den Heizflächen wird der Abbau der Wärme im Kessel beeinträchtigt, da sich eine wärmedämmende Isolierschicht auf den Rohren bildet, wodurch die Wärmeaufnahme immer weiter zum Kesselende hin verschoben wird.
Anhand von Veränderungen im Mineralphasenbestand lassen sich kritische Reaktionstemperaturen identifizieren. Hohe (ungünstige!) Temperaturen und lange Verweildauer führen zum Verkleben.
6 Zusammenfassung / Shrnutí
Neben der Charakterisierung der Biomassen durch die Elementaranalyse sind für deren energetische Nutzung auch das Ascheschmelzverhalten wichtig. Es dient der Voraussage über Entstehungsmöglichkeiten von Ansinterungen und Verschlackungen im Feuerraum, wird im Labor mit einer definierten Aufheizrate bestimmt und ist stark von der Pflanzenart (Biomasse) und dem Standort abhängig. Das Erweichungsverhalten zählt zu den brennstoffspezifischen Eigenschaften. Bei Getreidearten beginnt das Schmelzen der Aschen schon bei einem niedrigen Temperaturniveau von etwa 800 °C. Holz liegt mit ca. 1.100 °C wesentlich darüber.
Anpackungen im Feuerraum und/oder an den Heizflächen führen zu Störungen und Betriebsunterbrechungen. Dieser Nachteil muss bereits bei der Auslegung der Feuerungsanlage berücksichtigt werden. Außerdem muss die Optimierung des Feuerungssystem für die jeweilige Brennstoffart erfolgen. Das heißt die verschiedenen Biomassen sind nicht ohne Probleme gegeneinander austauschbar.
Die Änderung der Brennstoffzusammensetzung bei der Co-Verbrennung, Substitution des Regelbrennstoffes (z. B. Kohle) durch Biomasse (z. B. Stroh), bewirkt unter Umständen eine Erhöhung des Chloreintrages, was wiederum zu verstärkter Korrosion an den Heizflächen (Verdampfer, Überhitzer) führen kann.
Drei Haupteinflussgrößen bestimmen den Beginn und das Ausmaß der Verschmutzung: Die Brennstoffqualität, die Feuerungsart und die Betriebsweise der Feuerung (Verbrennungsbedingungen). Dabei ist die Reduzierung der Feuerraumendtemperatur von zentraler und entscheidender Bedeutung zur Minderung der Verschlackung in den ersten Konvektionsheizflächen und zur Erhöhung des Dampferzeuger-Wirkungsgrades.
Danksagung / Poděkování: MSM 6198910019 DeCOx Prozesse
