Optimierte Rostfeuerungen für Holzbrennstoffe

Moderne Rostfeuerungen erzielen bei stationärem Betrieb mit hochwertigem Brennholz eine gute Ausbrandqualität. Um Holzenergie besser zu nutzen, kommen allerdings vermehrt auch Brennstoffsortimente mit hohem Aschegehalt und variabler Feuchtigkeit zum Einsatz. Darunter leidet nicht nur die Ausbrandqualität, sondern es werden auch vergleichsweise hohe Mengen an Stickoxid (NOX) und Feinstaub freigesetzt. Diese Parameter werden nebst Wasser- und Aschegehalt auch durch die Stückigkeit der Brennstoffe sowie durch die Auslastung der Anlagen beeinflusst. Im Projekt optimierten die Forschenden Rostauslegung und Rostbetrieb, um auch bei Teillast und mit Brennstoffsortimenten minderer Qualität eine hohe Ausbrandqualität bei geringen Stickoxidemissionen zu erreichen.

Der Anteil der Holzenergie an der Schweizer Energieversorgung kann durch die Nutzung minderwertiger Holzsortimente erhöht werden. Voraussetzung ist allerdings, dass Brennstoffe mit hohem Aschegehalt, erhöhtem Stickstoffanteil und hohem Wassergehalt nicht nur zuverlässig, sondern auch mit niedrigen Schadstoffemissionen verbrannt werden können. Zusätzlich muss bei schwankenden Brennstoffeigenschaften ein flexibler Betrieb möglich sein. Die heutigen Rostfeuerungen verursachen jedoch relativ hohe Stickoxidemissionen. Zusätzlich kann es bei Teillast oder heterogenen Brennstoffeigenschaften zu einer unvollständigen Verbrennung kommen, was die Emission von Kohlenmonoxid, organischen Verbindungen und Russ erhöht.

Im Mittelpunkt des Projekts steht die Konstruktion einer mehrzonigen Vorschubrostfeuerung mit modularer Nachbrennzone, wobei die einzelnen Rostsektoren separat steuerbar sind. Ziel ist ein Brennstoffbett, in dem weder punktuell zu tiefe Temperaturen noch Bereiche mit erhöhter Schadstoffkonzentration auftreten. Dazu setzten die Forschenden im Feuerraum eine Low-NOX-Luftstufung ein, die sie mit einer Optimierung des Feststoffausbrands auf dem Rost kombinierten. Parallel dazu simulierten sie die Verbrennung in einem zweiteiligen Modellansatz, der zum einen die Umwandlung des Feststoffs auf dem Rost und zum anderen die Gasphasenreaktionen im Feuerraum berücksichtigt.

Die Verbesserung der Rostfeuerungstechnik ermöglicht es, auch qualitativ minderwertige Sortimente biogener Brennstoffe schadstoffarm zu nutzen und so den Anteil erneuerbarer Energien am Gesamtenergieverbrauch zu erhöhen. Gleichzeitig werden mit der im Projekt optimierten Anlagentechnik und den neu entwickelten Auslegungsmethoden die Technologie-Entwicklung der beteiligten Industrie unterstützt und so Arbeitsplätze im Inland gesichert.

Im Projekt wurde ein Modell für einen Rost für Biomassefeuerungen entwickelt, dessen Geometrie und Betriebsparameter optimiert wurden sowie ein Prototyp im halbindustriellen Massstab realisiert und getestet. Dieser Multizonenrost ermöglicht eine nahezu vollständige Verbrennung minderwertiger Holzsortimente mit hohem Wirkungsgrad. Zudem ist das Modell bereits ab einer Teillast von 30 Prozent funktionsfähig. Zum Erfolg trägt die optimierte Luftversorgungung bei, wobei die Zufuhr in den verschiedenen Rostzonen bedarfsabhängig reguliert werden kann.

Clean technologies for wood combustion from 500 kW to 50 MW