Entwicklung eines Brenners mit Luft- und Brennstoffstufung zur emissionsarmen Biomasseverbrennung in Kleinfeuerungsanlagen

Abstract

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein neuartiges feuerungstechnisches Konzept zur emissionsarmen Verbrennung von festen Biomassebrennstoffen entwickelt und erprobt. Das feuerungstechnische Konzept grenzt sich gegenüber dem Stand der Wissenschaft und Technik in den folgenden Punkten ab: 1. Kombination von Luft- und Brennstoffstufung durch die räumliche Trennung der Entgasung, der vollständigen Verbrennung des Gas-Luftgemisches und des Abbrands des Entgasungsrückstandes (Primärkoks), 2. Gewinnung eines Reduktionsgases aus der Umsetzung des Primärkokses und Einsatz dieses Reduktionsgases als Stufenbrennstoff (kein Einsatz eines separaten Sekundärbrennstoffs notwendig) sowie 3. Anwendung des Blaubrennerkonzepts auf ein mit Biomasse befeuertes Brennersystem, d.h. Umstellung von Diffusions- auf Vormischflamme. Zur Evaluierung des entwickelten Feuerungskonzepts wurde ein Brennersystem gebaut und untersucht. Gemäß diesem Konzept wird die Verbrennungsluft dreifach gestuft im Bereich der Entgasung, des Primärkoksabbrandes sowie der Verbrennung des Gasgemisches zugeführt. Als Brennstoffe wurden Pellets aus Stroh- und Getreidereststoffen sowie aus Holz eingesetzt. Für die NOx-Konzentration zeigte sich eine starke Abhängigkeit sowohl von der Gesamtluftzahl als auch von den Teilluftzahlen. Die besten Ergebnisse wurden bei sehr geringem Luftüberschuss erzielt. Die NOx-Konzentration konnte bei Senkung der Gesamtluftzahl von 1,6 auf 1,1 um über 40 % reduziert werden. Bis zu einer Gesamtluftzahl von 1,2 wurden stabil niedrige CO-Emissionen von ca. 40 mg/m³ i.N. (13 Vol.-% O2) ermittelt. Die Partikelkonzentration konnte - verglichen mit den Ergebnissen aus Messungen, die bei anderen Feuerungsanlagen unter Verwendung ähnlicher Brennstoffe durchgeführt wurden - um 50 % reduziert werden. Durch Zugabe des Reduktionsgases kann ebenfalls eine Senkung der NOx-Konzentration erzielt werden. Bei Vorliegen optimaler Bedingungen (Temperatur > 700 °C im Reduktionsbereich, geringer Oxidationsgrad des Primärkokses) konnte die NOx-Konzentration um über 40 % verringert werden. Die Reduktionswirkung des Reduktionsgases war brennstoffübergreifend nachweisbar. Die Möglichkeit der Anwendung des Blaubrennerkonzepts auf den Versuchsbrenner konnte grundsätzlich bestätigt werden. Die Hauptschwierigkeit in der Umsetzung des Vormischflammenbetriebs lag in der hohen Strömungsgeschwindigkeit des Pyrolysegas-Luftgemisches in der Mischzone. Zu Beginn der Versuche kam es häufig zum Abreißen der Flamme. Die Häufigkeit der Flammenabrisse konnte nach Einführung eines Flammenhalters reduziert werden, jedoch zeigte sich das Brennersystem im Betrieb mit Vormischflamme weiter sehr instabil bei der Änderung von Betriebsrahmenbedingungen (z.B. Abzug des Primärkokses, Druckschwankungen). Ein langfristig stabiler Betrieb mit Vormischflamme erfordert die Entwicklung einer speziell angepassten Regelung für den Betrieb mit Vormischflamme und die Installation einer Zündeinrichtung für den Fall des Abreißens der Flamme.

In the context of the given work a new combustion concept focussing on how to burn solid biomass fuels with low emissions is developed and tested. The combustion concept distinguishes itself from the current state of scientific and technical knowledge for small scale firing plants in the following points: 1. Combination of air staging and fuel staging via spatial separation of the fuel degassing, the complete combustion of the gas/air-mixture and the oxidation of the degassing residues (primary coke), 2. Production of a reduction gas via transformation of primary coke and application of this reduction gas as a stage fuel (no application of a separate secondary fuel necessary) and 3. Application of the blue flame burner concept on a burner firing system which burns solid biomass fuels, i.e. changeover from a diffusion flame to a premixed flame. A burner firing system is built and tested to evaluate the developed combustion concept. According to this concept the combustion air is fed in three stages: in the area of the fuel degassing, the oxidation of the primary coke and the combustion of the gas/air-mixture. Fuel pellets made of residues from straw and grain as well as wood are used. A strong dependence on both, the total air ratio and the partial air ratio is determined for the NOx-concentration. The best results were achieved with very little excess air. It was possible to reduce the NOx-concentration by more than 40% by reducing the total air-fuel ratio from 1.6 to 1.1. Up to a total air-fuel ratio of 1.2, stable low CO-emissions of approx. 40 mg/m³ stp (13 vol% O2) were determined. The particle concentration was reduced by 50% compared to the results from measurements taken at other combustion plants which used similar fuels. A reduction of the NOx-concentration could also be achieved by adding the reduction gas. Optimal conditions provided (temperature > 700 °C at the area of reduction, low oxidation degree of primary coke), it was possible to reduce the NOx-concentration by more than 40 %. The possibility of applying the blue flame burner concept to the test burner can generally be confirmed. The main difficulty in implementing a burner with a premixed flame lies in the high flow velocity of the pyrolysis gas air mixture inside the mixing zone. During the first few tests the flame frequently blew off. By introducing a flame holder, it was possible to reduce the frequency of flame extinction. However, the burner firing system was still very unstable during the operation with a premixed flame when operating conditions changed (e.g. removal of primary coke, pressure variation). In order to operate the burner with a premixed flame on a long-term and stable basis, a specially designed regulation for the operation with a premixed flame as well as the installation of an ignition device in case of flame extinction needs to be developed.