Reduzierung der Stickoxid-Emissionen einer Biomassefeuerungsanlage durch Brennstoffstufung

Um in Zukunft eine nachhaltige Nutzung von Biomasse zu ermöglichen, ist es von Bedeutung, ein möglichst breites Spektrum an Brennstoffen nutzen zu können. Demzufolge sollen beispielsweise auch Restholz- oder Altholzsortimente in die Nutzung einbezogen werden. Beide Brennstoffe weisen aber im Vergleich zum Stammholz in der Regel einen höheren Stickstoffanteil auf, wodurch bei der Verbrennung vermehrt Stickoxide (NOX) entstehen. Da Stickoxide eine Gefahr für die Gesundheit der Menschen und Tiere sind und sich außerdem negativ auf die Umwelt auswirken, sollen diese Emissionen bei den Verbrennungsprozessen möglichst minimiert werden. Um diese Brennstoffe trotzdem nutzen zu können, bedarf es an Möglichkeiten zur NOX-Reduzierung.
Eine Möglichkeit die NOX-Emissionen in einer Feuerungsanlage zu senken, ist das Prinzip der Brennstoffstufung, welches im Rahmen dieser Arbeit untersucht wird. Bei der Brennstoffstufung wird nach der Brennkammer ein zweiter Brennstoff, auch Reduktionsbrennstoff genannt, eingedüst. Im Rahmen dieser Arbeit wurde hierfür Erdgas genutzt. Durch die Zugabe des Erdgases entsteht eine Zone mit Brennstoffüberschuss, wodurch hier nun NO-Abbaureaktionen stattfinden. Dabei reagieren die Kohlenwasserstoffradikale, welche durch den zugegebenen Reduktionsbrennstoff entstehen, zusammen mit dem gebildeten NOx über HCN und NH-Spezies zu molekularem Stickstoff. Im Anschluss an diese Reaktionen wird weitere Verbrennungsluft zugegeben, um eine vollständige Verbrennung zu erzielen.
Im Theorieteil wird zunächst auf die Entstehung der Stickoxide bei der Biomasseverbrennung eingegangen. Anschließend wird die Theorie hinter der Brennstoffstufung erklärt und anhand von Rechercheergebnissen die optimalen Einstellungen diskutiert. Auch die zu erwartenden NOX-Reduktionen werden über die Ergebnisse verschiedener Publikationen aufgeführt. Daneben werden weitere gängige Primär- und Sekundärdeduktionsmöglichkeiten erklärt, sowie Vor- und Nachteile verglichen.
Der Schwerpunkt der Arbeit umfasst experimentelle Arbeiten, in welchen an einer neu entwickelten 250 kW Feuerungsanlage die Brennstoffstufung getestet werden sollte. Dabei wurden als Primärbrennstoff Briketts aus Spanplattenresten der Möbelindustrie verwendet, welche aufgrund des verwendeten Klebstoffes und der Farbe einen sehr hohen Stickstoffanteil (knapp 5 %) aufweisen. Dies hat wiederum hohe NOX-Emissionen (über 1.900 mg/m³N) zur Folge. Im Laufe der Versuche wurden verschiedene Einstellungen, wie die Sekundär- und Rezirkulationsluftzufuhr, variiert und deren Einflüsse auf die NOX-Minderung in dieser Arbeit bewertet. Am Ende soll über diese Versuche ein stabiler Betriebspunkt gefunden werden, bei welchem eine möglichst hohe Reduktion der NOX-Emissionen erfolgt, aber gleichzeitig keine weiteren Emissionen wie CO oder CH4 entstehen. Über diese Versuche konnte das Prinzip der Brennstoffstufung nachgewiesen und dabei Reduktionsraten von über 80 % erzielt werden.

A utilization of a wide range of fuels is important for a sustainable use of biomass in the future. Therefore, residual wood or recycled wood types should also be included in the usage. However, both fuels typically have a higher nitrogen content compared to trunk wood, resulting in increased nitrogen oxides (NOX) during combustion. Since nitrogen oxides pose a danger to the health of humans and animals and negatively impacts the environment, these emissions should be minimized during combustion processes. To utilize these fuels, methods for NOx reduction are necessary.
One way to reduce NOX emissions in a combustion system is the principle of fuel staging, which will be investigated in this thesis. In fuel staging, a second fuel is injected after the combustion chamber. For this study, natural gas was used. The addition of natural gas creates a fuel-rich zone, where NO decomposition reactions occur. The hydrocarbon radicals generated by the added fuel react with the formed NOX through HCN and NH species to produce molecular nitrogen. After these reactions, additional combustion air is introduced to achieve complete combustion.
The theoretical part first addresses the formation of nitrogen oxides during biomass combustion. Subse-quently, the theory behind fuel staging is explained and optimal settings are discussed based on research findings. Expected NOX reductions are also listed based on the results of various publications. Additionally, other common primary and secondary reduction methods are explained, along with a comparison of their advantages and disadvantages.
The focus of the work includes experimental studies in which fuel staging was tested on a newly developed 250 kW combustion system. As the primary fuel, briquettes made of chipboards were used, which, due to the adhesive and color used, have a very high nitrogen content (almost 5%). This results in high NOX-emissions (over 1,900 mg/m³N). During the experiments, various settings, such as secondary and recirculation air supply, were varied, and their effects on NOX reduction were evaluated in this study. Ultimately, the goal was to find a stable operating point where the highest possible reduction of NOx emissions occurs, while simultaneously avoiding further emissions such as CO or CH4. Through these experiments, the principle of fuel staging was demonstrated, achieving reduction rates of over 80%.