Anbau von Energiepflanzen - Ganzpflanzengewinnung mit ...

5.2.1.1 Verbrennungsverhalten unterschiedlich aufgemahlener Biomassen
Grundsätzlich sind für die Zündwilligkeit von Brennstoffen bei vorhandener ausreichender Aktivierungsenergie
die drei Parameter Flüchtigengehalt, Wassergehalt und Korngröße, mit der die spezifische Oberfläche
korreliert, verantwortlich.
Nach Erreichen der Entgasungstemperatur entweichen aus dem Brennstoff die flüchtigen Bestandteile.
Die Aufheizzeit ist hierbei vom Wassergehalt, insbesondere aber von der Korngröße der Teilchen abhängig.
Beim Eintritt der Teilchen in die Brennkammer werden diese hauptsächlich durch Wärmestrahlung
erhitzt. Je kleiner die Korngröße ist, desto größer ist die spezifische Oberfläche, auf die die Strahlung
wirken kann und umso mehr Wärmeleistung wird auf die Brennstoffmasse übertragen. Bei Erreichen von
100 °C Oberflächentemperatur beginnt dort die Trocknung. Die Trocknungsfront wandert dann von
außen nach innen. Während die Biomasse innen noch trocknet, beginnt an der Oberfläche die Entgasung.
Bei Biomassen beginnt die Entgasung bei etwa 200 °C, bei Steinkohle dagegen erst bei circa 450 °C.
Die ausgetriebenen Flüchtigen eines Brennstoffes reagieren mit dem zur Verfügung stehenden Sauerstoff
in einer homogenen Gasreaktion. Dazu kann das gesamte, durch die Reaktionspartner eingenommene
Volumen (im Gegensatz zur heterogenen Reaktion) genutzt werden. Diese Teilreaktion ist weitgehend
unabhängig von der Vermischung der Brennstoffteilchen im Feuerraum.
Nach der Freisetzung der Flüchtigen bleibt der Anteil an festem Kohlenstoff (Fixed C) zurück. Dieser
reagiert bei der Verbrennung in heterogenen Gas-Feststoff-Reaktionen. D.h. am festen Reaktionspartner
ist so lange Stoff zu- bzw. abzuführen, bis die ganze feste Masse reagiert hat. Diese Reaktionen sind somit
abhängig vom Stofftransport des Sauerstoffes zum Teilchen und der Verbrennungsprodukte vom
Teilchen weg. Dieser Transport erfolgt zunächst durch die laminare Strömungsgrenzschicht, die das Korn
umgibt, und weiter in das poröse Teilchen. Dieser Vorgang wird durch Grenzschicht- und Porendiffusion
überlappt. Der Vorgang ist auch von der Größe der vorhandenen Oberfläche und von der Reaktionsgeschwindigkeit
an der Feststoffoberfläche abhängig. Alle diese Mechanismen sind temperaturabhängig, und
der langsamste dieser Teilschritte bestimmt die Gesamtreaktionsgeschwindigkeit. Für Temperaturen
unterhalb von 700 °C ist die Reaktionsgeschwindigkeit am Teilchen geschwindigkeitsbestimmend. Bei
hohen Temperaturen (> 900 °C) sind die Diffusionsvorgänge zum und im Teilchen begrenzend. Bei der
untersuchten Staubfeuerung werden in der Hauptverbrennungszone in Abhängigkeit vom Brennstoff
Temperaturen in der Größenordnung von 1200 - 1300 °C erreicht. Die Rauchgase werden bis zum Ende
der Brennkammer auf 650 - 700 °C abgekühlt. Findet die Verbrennung des festen Kohlenstoffes im
oberen Teil der Brennkammer statt, sind die Stofftransportvorgänge geschwindigkeitsbestimmend. Größere
Teilchen können jedoch auch nicht vollständig ausgebrannt die heiße Hauptreaktionszone verlassen.
Bei diesen Teilchen kann dann der Übergang zur reaktionsgeschwindigkeitbestimmten Reaktion stattfinden.
Reine Biomasseverbrennung
Um das unterschiedliche Verbrennungsverhalten von Biomassen verschiedener Feinheiten untersuchen
zu können, wurde eine reine Biomasseflamme mit Eichenholz (1,5 mm Aufmahlung) und eine Weidenflamme
(2,5 mm Aufmahlung) im Flammenraum vermessen. Es wurden die Gaskonzentrationen von O 2,
CO, NO und CO 2 über die Feuerraumhöhe und über den Radius ermittelt. Das Sauerstoffprofil der
beiden Flammen ist in Abbildung 32 gegenübergestellt. Zur Veranschaulichung wurden die reinen Meßwerte
zusätzlich durch Interpolation in einem Farbkontur-Diagramm dargestellt. Hohe
Sauerstoffkonzentrationen sind dabei durch dunkle Felder gekennzeichnet, niedrige O 2-Konzentrationen
durch helle Felder. Die linke Seite der Darstellung, entsprechend einer Hälfte der Brennkammer, ist
jeweils die Eichenflamme; die rechte Seite die Weidenflamme. Beim Vergleich beider Flammen ist zu
erkennen, daß die feiner aufgemahlene Eiche schneller zündet und durch den Verbrennungsvorgang den
ihr zur Verfügung stehenden Sauerstoff schneller aufbraucht. Das Sauerstoffgefälle in axialer und radialer
Strömungsrichtung ist sehr gut an den eng liegenden Iso-Linien zu sehen. Das sauerstoffreiche Feld in
unmittelbarer Brennernähe ist bei der Weidenflamme deutlich größer. Dies deutet darauf hin, daß nur ein
Teil des Brennstoffes gezündet hat und der Rest erst in brennerferneren Gebieten brennt und Sauerstoff
verbraucht. Dies ist auch an den weit auseinanderliegenden Iso-Linien erkennbar.
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