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, stuckiger Brennstoff immer mehr an Bedeutung. Durch die Substitution fossiler Brennstoffe im Bereich der Warmeerzeugung durch Biomassen lassen sich in Deutschland jahrlich etwa 15,7 Mio. tCO2-Aquivalent einsparen. Bei der Biomasseverbrennung werden allerdings auch fur Mensch und Umwelt schadliche NOx-, Feinstaub- und CO-Emissionen verursacht, weshalb die Grenzwerte durch den Gesetzgeber regelmasig verscharft werden. Daher werden neue und innovative Losungen benotigt, mit denen die Emissionen verringert werden konnen. Eine mogliche Primarmasnahme zur Reduzierung der NOx-Emissionen ist die oszillierende Zufuhr von Sekundarluft in einer gestuften Verbrennung, die in dieser Arbeit eingesetzt wurde. In dem vom BMBF geforderten 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. Mit Hilfe dieses Technologieansatzes soll in dem Vorhaben das Ziel einer Senkung der NOx-Emissionen auf Konzentrationen unterhalb der gesetzlich geforderten Grenzwerte gemas novellierter TA Luft erreicht werden. Am ITC wurden Versuche in einem Batch-betriebenen Laborreaktor durchgefuhrt, in dem neben dem Abbrandverhalten von Feststoffschuttungen die Umsetzung des entstandenen Pyrolyse-/Rauchgases unter verschiedenen oxidativen Bedingungen untersucht wird. Wird der Brennstoff in der primaren Stufe unterstochiometrisch umgesetzt, kann durch Oszillation der oberhalb des Gutbettes in der Nachbrennkammer zugefuhrten Sekundarluft die NOx-Konzentration um bis zu 40 % im Vergleich zu nicht-oszillierender Fahrweise gesenkt werden. Dies setzt jedoch einen homogenen Feststoffumsatz in der primaren Stufe voraus. Erganzend zu den Versuchen wurden am LEAT 3D-Verbrennungssimulationen der Brennstoffumwandlung und Stickoxidbildung nach der Sekundarluftzufuhr in der Nachbrennkammer des Reaktors durchgefuhrt. Fur 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 Ubereinstimmung mit den Experimenten auf. Es kann festgehalten werden, dass der Einsatz von oszillierender Sekundarluft als Primarmasnahme zur NOx-Minderung eine vielversprechende Alternative zu anderen etablierten Verfahren darstellt. Diese Technik ist kostengunstiger und energieeffizienter als konventionelle Verfahren wie z. B. SCR und SNCR und kann daher auch in Anlagen im niedrigeren Leistungsbereich (< 20MW) realisiert werden.