Experimentelle und numerische Untersuchung der NOx-Emissionen bei einer Biomasseverbrennung mit oszillierender Sekundärluftzufuhr

Mit dem Pariser Klimaabkommens zielt die EU darauf ab die Treibhausgasemissionen bis 2030 im Vergleich zu 1990 um mindestens 40 % zu reduzieren. Um diese Ziel zu erreichen gewinnt Biomasse als fester, stückiger Brennstoff immer mehr an Bedeutung. Durch die Substitution fossiler Brennstoffe im Bereich der Wärmeerzeugung durch Biomassen lassen sich in Deutschland jährlich etwa 15,7 Mio. tCO2-Äquivalent einsparen. Bei der Biomasseverbrennung werden allerdings auch für Mensch und Umwelt schädliche NOx-, Feinstaub- und CO-Emissionen verursacht, weshalb die Grenzwerte durch den Gesetzgeber regelmäßig verschärft werden. Daher werden neue und innovative Lösungen benötigt, mit denen die Emissionen verringert werden können. Eine mögliche Primärmaßnahme zur Reduzierung der NOx-Emissionen ist die oszillierende Zufuhr von Sekundärluft in einer gestuften Verbrennung, die in dieser Arbeit eingesetzt wurde. In dem vom BMBF geförderten Projekt „KMU-innovativ – Verbundprojekt Klimaschutz: Reduktion der NOx-Emissionen in Kleinfeuerungsanlagen zur energetischen Biomassenutzung durch oszillierende Verbrennungsluftzufuhr (BioOszi)“ (FKZ 01LY1823) wird diese Methode weiterentwickelt und untersucht. ... mehrMit Hilfe dieses Technologieansatzes soll in dem Vorhaben das Ziel einer Senkung der NOx-Emissionen auf Konzentrationen unterhalb der gesetzlich geforderten Grenzwerte gemäß novellierter TA Luft erreicht werden. Am ITC wurden Versuche in einem Batch-betriebenen Laborreaktor durchgeführt, in dem neben dem Abbrandverhalten von Feststoffschüttungen die Umsetzung des entstandenen Pyrolyse-/Rauchgases unter verschiedenen oxidativen Bedingungen untersucht wird. Wird der Brennstoff in der primären Stufe unterstöchiometrisch umgesetzt, kann durch Oszillation der oberhalb des Gutbettes in der Nachbrennkammer zugeführten Sekundärluft die NOx-Konzentration um bis zu 40 % im Vergleich zu nicht-oszillierender Fahrweise gesenkt werden. Dies setzt jedoch einen homogenen Feststoffumsatz in der primären Stufe voraus. Ergänzend zu den Versuchen wurden am LEAT 3D-Verbrennungssimulationen der Brennstoffumwandlung und Stickoxidbildung nach der Sekundärluftzufuhr in der Nachbrennkammer des Reaktors durchgeführt. Für die Modellierung der NOx-Bildung wurde das Eddy-Dissipation-Concept (EDC) in Kombination mit der In-Situ-Tabellierung (ISAT) und einer detaillierten Kinetik angewendet. Die Entstehung von NOx im Laborreaktor konnte erfolgreich simuliert werden und die Ergebnisse weisen gute Übereinstimmung mit den Experimenten auf. Es kann festgehalten werden, dass der Einsatz von oszillierender Sekundärluft als Primärmaßnahme zur NOx-Minderung eine vielversprechende Alternative zu anderen etablierten Verfahren darstellt. Diese Technik ist kostengünstiger und energieeffizienter als konventionelle Verfahren wie z. B. SCR und SNCR und kann daher auch in Anlagen im niedrigeren Leistungsbereich (< 20MW) realisiert werden.