Centrales Agrar-Rohstoff Marketing- und Energie-Netzwerk e.V.


Feuerungsanlagen bestehen aus der Feuerung und einem Wärmeübertrager. In der Feuerung wird die chemische Energie des Brennstoffs freigesetzt, anschließend wird die Wärmeenergie im Wärmeübertrager auf ein Arbeitsmittel übertragen. Nach diesem Prinzip funktioniert auch ein Dampferzeuger eines Dampfkraftwerkes. Im Dampferzeuger wird durch die Verbrennung Wasser erhitzt, der so gewonnene Wasserdampf kann eine Dampfturbine oder einen Dampfmotor antreiben.

Universalfeuerungen, die für Brennstoffe aller Art gleichermaßen geeignet sind, gibt es nicht. Vielmehr müssen Feuerungstechnik und Brennstoff aufeinander abgestimmt sein, damit eine schadstoffarme Wärmeerzeugung mit höchsten Nutzungsgraden und langen Reisezeiten der Feuerungsanlage erzielt wird. Für die Verfeuerung von Holz und anderen Biomassen verwendet man hauptsächlich Rostfeuerungen, insbesondere solche mit Vorschubrost. Seltener kommen Wirbelschichtfeuerungen zum Einsatz.

Rostfeuerung

Feststofffeuerungen mit Rost haben sich seit Jahrzehnten bewährt und sind heute in der Bioenergie Stand der Technik. Der Rost trägt das Brennstoffbett, auf dem Rost trocknet, entgast und verbrennt der Brennstoff. Bei Feuerungsanlagen großer Leistung ist der Rost grundsätzlich so gestaltet, dass er den Brennstoff automatisch und mit geringer Geschwindigkeit, die dem Trocknungs-, Entgasungs- und Verbrennungsverhalten des Brennstoffs entspricht, vom Aufgabebereich zum Asche- und Schlackeabwurf transportiert. Das Aufbringen des Brennstoffs auf den Rost erfolgt mechanisch. Die für die Verbrennung notwendige Luft wird dem Brennstoff teils von unten durch den Rost zugeführt.

Vorschubrost

Die meisten Holzkraftwerke arbeiten mit einem Vorschubrost. Dieser ist treppenförmig aufgebaut, jeweils eine Roststabreihe bildet eine Treppenstufe. Der Vorschub des Brennstoffs auf dem Rost geschieht durch bewegliche Rostelemente. Jede zweite Roststabreihe, also quasi jede zweite Treppenstufe, bewegt sich vor und zurück, die dazwischen liegenden Reihen stehen fest. Durch das Vor- und Zurückbewegen der beweglichen Reihe wird der Brennstoff vom oberen zum unteren Rostende geschoben und brennt dabei aus.

Ein besonderes Merkmal der Vorschubrostfeuerung ist, dass das Brennstoffbett durch die Bewegung des Rostes insgesamt sehr stark umgewälzt und durchmischt wird. Glutbereiche kommen an die Oberfläche, noch nicht gezündeter Brennstoff fällt in die Glut. Diese so genannte Schürwirkung trägt zu einem guten Ausbrand des Brennstoffes bei. Auf den Rost aufgegeben wird der Brennstoff mit einer hydraulisch arbeitenden Einschubvorrichtung. Am Ende des Rostes bleibt Asche übrig, die in einen mit Wasser gefüllten Nassentascher fällt.

Die Zugabe der Verbrennungsluft (Primärluft) erfolgt teils von unten durch die Roststäbe und teils seitlich und von vorne in das Brennstoffbett. Man unterscheidet mehrere Rostzonen: Trocknungs-, Entgasungs-, Hauptverbrennungs- und Nachverbrennungszone. Die größte Luftmenge wird der Hauptverbrennungszone zugeführt. Diese liegt noch im ersten Drittel des Rostes, wenn trockene Brennstoffe verwendet werden, die rasch zünden. Bei nassen Brennstoffen, die länger auf dem Rost trocken müssen und erst spät zünden, verschiebt sich die Hauptverbrennungszone in die Mitte des Rostes.

Der Feuerraum ist so gestaltet, dass ein möglichst guter Ausbrand der Brenngase erreicht wird, bevor der Gasstrom die Berührungsheizflächen (Wärmeübertrager) erreicht. Dazu dienen u.a. eine über die Ausbrandzone nach vorne gezogene hintere Feuerraumdecke sowie eine starke Einschnürung des Feuerraumes zwischen der unteren und der oberen Brennkammer. Sekundärluft und Rezirkulationsgase werden den Brenngasen in der Feuerraumeinschnürung zugeführt.

Vorschubrostfeuerungen können in Bezug auf Stückigkeit und Wassergehalt ein relativ breites Brennstoffband verwerten, die Anforderungen an die Brennstoffaufbereitung sind gering. Der Feinanteil des Brennstoffs sollte allerdings möglichst klein sein, und die Brennstoffbeschaffenheit sollte nicht zu stark variieren. Werden zu heizwertreiche Brennstoffe verbrannt, z.B. trockenes Altholz, kann die thermische Belastung des luftgekühlten Rostes so groß werden, dass Roststäbe u.U. durchbrennen können. Vorschubrostfeuerungen werden im Leistungsbereich bis 70 MWFWL verwendet.     

Wanderrost mit Wurfbeschickung (Spreader Stoker)

Ein Wanderrost ist ein endloses Rostband mit beweglichen Gliedern, welches horizontal durch den Feuerraum läuft und an zwei Wellen umgelenkt wird. Der oben liegende Teil des Rostbandes trägt das Brennstoffbett. Der Brennstoff wird mit möglichst gleichmäßiger Schichthöhe auf das Rostband aufgebracht. Das Band wird mit geringer Geschwindigkeit durch den Feuerraum geführt, der Brennstoff brennt dabei aus. An der Umlenkstelle des Bandes werden Asche und Schlacke nach unten abgeworfen.

Wanderroste eignen sich gut für die Verbrennung von Kohle und Koks, weniger für Biomassen. Im Gegensatz zum Vorschubrost erfährt der Brennstoff auf dem Wanderrost nämlich keine Schürung. Um Biomassefestbrennstoffe dennoch mit Wanderrostfeuerungen verwerten zu können, wird eine besondere Art der Beschickung angewendet: die Wurfbeschickung. Bei der Wurfbeschickung zünden die feinen Brennstoffanteile bereits im Flug, sie verbrennen im Fallen und treffen nicht mehr auf den Rost. Dadurch wird der Rost von Feinkorn entlastet, und das Zusammenbacken der Brennstoffschicht auf dem Rost durch Feinkorn wird verhindert. Das Brennstoffbett auf dem Rost wird vor allem von den gröberen Brennstoffbestandteilen gebildet. Diese trocknen und entgasen bereits im Flug und bilden auf dem Rost eine sehr gleichmäßige Brennstoffschicht, die von oben beschickt wird und von unten gleichmäßig abbrennt. Die Asche liegt unter dem Brennstoffbett auf dem Rost. Wanderroste dienen bei Biomassefeuerungen also vorwiegend dem Ausbrand.

Der Wanderrost bewegt sich nur sehr langsam durch den Feuerraum, so dass ein guter Ausbrand gewährleistet ist. Da die großen Brennstoffteile auf der Hinterseite des Rostes auftreffen, läuft der Rost entgegengesetzt zur Wurfrichtung. Primärluft wird von unten durch den Rost zugegeben, eine Unterteilung in verschiedene Unterwindzonen wie beim Vorschubrost gibt es nicht. Sekundärluft wird dem Feuerraum wie bei der Vorschubrostfeuerung meist in einer Einschnürung zugeführt.

Wanderrostfeuerungen mit Wurfbeschickung erfordern eine relativ gleichmäßige und gleichbleibende Brennstoffzusammensetzung, so dass u.U. eine Brennstoffaufbereitung notwendig ist, sie erlauben aber einen leicht erhöhten Feinkornanteil. Im Vergleich zu Vorschubrostfeuerungen weisen Feuerungen mit Wanderrost eine bessere Elastizität auf, können also schwankender Leistungsnachfrage besser folgen, und sie stellen die kompaktere Bauart dar. Sie werden im Leistungsbereich bis 100 MWFWL verwendet.

Wirbelschichtfeuerung

Die Wirbelschichtfeuerung ist im Vergleich zu den Rostfeuerungen eine relativ junge Technologie. Der Brennstoff wird in der Feuerung nicht von einem Rost getragen sondern in eine heiße, durch Luftdüsen von unten aufgewirbelte Sandströmung gegeben, in der er verbrennt. Bei der stationären Wirbelschicht (SWS) bleiben Sand und Brennstoff in einer bestimmten Höhe der Feuerung im Schwebezustand. Bei der zirkulierenden Wirbelschicht (ZWS) ist die Luftströmung aus den Düsen dahingegen so stark, dass die Partikel von der Strömung mitgerissen werden, den gesamten Brennraum ausfüllen und schließlich mit dem Rauchgas aus der Brennkammer ausgetragen werden. Die zirkulierende Wirbelschichtfeuerung verfügt deshalb im Gegensatz zur stationären über einen dem Feuerraum nachgeschalteten feuerfest ausgekleideten Zyklon. In diesem werden Asche und Sand vom Rauchgasstrom getrennt, das Bettmaterial wird dem Feuerraum wieder zugeführt.

Nachteile von Wirbelschichtfeuerungen gegenüber Rostfeuerungen sind u.a. die Kosten für das Bettmaterial (meist Quarzsand), das regelmäßig ersetzt werden muss, der Abrieb durch den Sand (bei ZWS insbesondere an der Ausmauerung des Heißzyklons), die dadurch erhöhten Aschemengen (Flugasche!) und der relativ große Hilfsenergieverbrauch. Von Vorteil sind der gleichmäßige Ausbrand der Brennstoffe bei relativ niedrigen Verbrennungstemperaturen und die größere Flexibilität bezüglich des Heizwertes der Brennstoffe. Allerdings ist das Spektrum verwertbarer Korngrößen begrenzt, insbesondere können keine zu großen Brennstoffstücke verbrannt werden, die nicht in Schwebe mit den Sandkörnern gehalten werden können; u. U. ist eine vorausgehende Brennstoffaufbereitung erforderlich. Wirbelschichtfeuerungen sind zudem nicht für leichte flockige Biomassebrennstoffe geeignet, die auf dem Sandbett aufschwimmen würden.

Die ZWS ist eine relativ aufwändige Bauweise und in ihrer Anschaffung relativ teure Technik, die erst ab einer Dampfleistung von 2.000 t/h gebaut wird. Die SWS dahingegen ist eine preisgünstigere Konstruktion und für kleinere Dampferzeuger mit Dampfleistungen unter 100 t/h geeignet. Wirbelschichtfeuerungen werden im Leistungsbereich bis 400 MWFWL verwendet.

 


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