Verhalten aschebildender Elemente in Biomassefeuerung

Forschungsprojekt P 13714Verhalten aschebildender Elemente in BiomassefreuerungenIngwald OBERNBERGER28.06.1999 Während der vergangenen 10 Jahren ist die Anzahl der Biomasse Feuerungsanlagen in Österreich ständig gestiegen. Nationale und internationale Bemühungen die Nutzung von Bioenergie in Europa zu steigem, sowie das vorhandene weitere Potential an Biomasse-Brennstoffen in Österreich sprechen für eine Fortsetzung dieses Trends. Durch umfangreiche Forschungs- und Entwicklungsarbeit bezüglich Verbrennungstechnik und Anlagenregelung wurden die gasförmigen Emissionen von Biomassefeuerungen bereits auf ein niedriges Niveau gebracht. Ungelöst geblieben sind bisher Probleme, die hauptsächlich auf dem Verhaften aschebildender Elemente beruhen, und die Umwekverträglichkeit wie auch die Lebensdauer und Instandhaltung von Biomassefeuerungen beeinflussen. Im Detail sind dies: * Aerosole (sehr kleine Partikel mit Durchmessern < 1 Micrometer), die während der Verbrennung gebildet werden, sind im hohen Ausmaß mit Schwermetallen und Kohlenwasserstoffen beladen. Ihre Abscheidung kann nur mit E-Filtern oder Gewebefiltern erreicht werden, wobei auch beim Einsatz dieser Technologien in Biomassefeuerungen Abscheide- und Teillast-Betriebsprobleme bestehen. * Wegen Beschädigungen durch Korrosion mußten während der letzten 2 Jahre in österreichischen Biomasse Fernheizwerken 20 Heißwasserkessel mit weniger als 10.000 Betriebsstunden ersetzt werden. Außerdem reduzieren Aschen- und Aerosolabligerungen an den Wänden von Wärmetauscherrohren den Wärmeübergang und verringern somit den Wirkungsgrad der Wärmeproduktion. * Da der natürliche Kreislauf der Elemente im Rahmen der thermischen Biomassenutzung durch trockene und nasse Schwermetalldepositionen (bedingt durch Umweltverschmutzung) im Ecosystem Wald gestört wird, können die Richtlinien zur Verwertung von Biomasseaschen auf land- und forstwirtschaftlichen Böden (bezüglich Schwermetallgehalten) nicht immer eingehalten werden. Bezug nehmend auf die genannten asche- und aerosolbedingten Probleme lassen sich die Ziele des beantragten Projektes wie folgt definieren: 1. Die grundlegenden Mechanismen der Aerosolbildung und des Aerosolwachstums sowie das Verhaften der Schwermetalle während der Verbrennung sollen unter besonderer Berücksichtigung der in Österreich hauptsächlich verwendeten Verbrennungstechnologien (Festbett-Feuerungen) und Biomasse-Brennstoffe untersucht werden. 2. Weiters sollen Möglichkeiten zur Beeinflussung der Aerosolbildung und des Aerosolwachstums in Biomassefeuerungen erforscht werden. Ziel ist es, Primärmaßnahmen und Technologien, die einfach in bestehenden Anlagen nachgerüstet werden können, zu finden, und damit die Abscheideeffizienz vorhandener Staubabscheider zu verbessern. 3. Als drittes Ziel sollen die bestimmenden Mechanismen und Prozeßbedingungen, die zur Bildung von Ascheablagerungen führen, sowie die relevanten chemischen Reaktionen und Einflußparameter hinsichtlich Korrosion untersucht werden. 4. Spezielle Sorbentien und Additive, die das Aerosolwachstum beschleunigen und korrosive Substanzen inertisieren, sollen getestet und beurteilt werden. 5. Zuletzt soll die nachhaltige Verwertung von Biomasseaschen als Sekundärrohstoff mit Düngewirkung durch die Reduktion der Schwermetallgehalte im verwertbaren Ascheanteil bei gleichzeitigen Aufkonzentration dieser in der Filterasche verbessert werden. Dieses Ziel soll durch eine neue Feuerungstechnik erreicht werden, die eine teilweise Rückführung der Zyklonflugasche auf den Rost vorsieht. Um die gesteckten Ziel zu erreichen sind sowohl mathematische Modellberechnungen der maßgeblichen Mechanismen als auch Testläufe in bestehenden Biomassefeuerungen sowie an einer, speziell auf das Projekt abgestimmten, Pilot-Feuerung vorgesehen. Aerosol-, Depositions- und Flugaschenprobenahmen mit anschließenden naßchemischen und elektronenmikroskopischen Analysen sollen die notwendigen Informationen zur Bewertung der Mechanismen die Aerosolbildung und -wachstum, Aschendeposition und Korrosion sowie das Verhalten von Schwermetallen während der Verbrennung betreffend, liefern. Zusätzlich soll durch internationale Kooperationen eine möglichst breite Wissensbasis genutzt werden.

Gasförmige Emissionen von Biomassefeuerungsanlagen konnten bereits auf ein derartig niedriges Niveau gesenkt werden, dass sie mit denen fossiler Feuerungen vergleichbar sind, es bestehen aber weiterhin unbefriedigend gelöste aschebedingte Probleme, nämlich Partikelemissionen, die Bildung von Aschendepositionen, sowie die Verteilung von Schwermetallen in den einzelnen Aschefraktionen. Aus diesem Grund zielte das Projekt darauf ab, die Aerosol- und Aschenbildung, sowie die Bildung von Aschendepositionen in Festbett-Biomassefeuerungen, die holzartigen Brennstoff einsetzen, zu untersuchen. Außerdem wurde das Verhalten von Schwermetallen in solchen Feuerungen untersucht. Dazu wurden Testläufe an Pilot- und Großanlagen sowie mathematische Modellierungen der relevanten Vorgänge durchgeführt. Um Aerosole und Flugaschen, die während der Biomasseverbrennung gebildet werden, charakterisieren zu können, und ihre Bildungsmechanismen genauer zu untersuchen, wurden Testläufe an Feuerungen durchgeführt, in deren Rahmen Brennstoff-, Aerosol-, Flugaschen- und Depositionsproben gezogen und nachfolgend nasschemisch und mittels Elektronenmikroskopie analysiert wurden. Eine große Menge an neuen hochwertigen Daten bezüglich Korngrößenverteilung, Konzentration, Gestalt und chemischer Zusammensetzung von Aerosolen und Flugaschen in Biomassefeuerungen resultierte aus diesen Testläufen. Zusätzlich wurde ein Aerosolbildungsmodell entwickelt, das alle relevanten Mechanismen berücksichtigt. Auf den Ergebnissen der Testläufe sowie den Simulationsrechnungen mit dem Modell aufbauend, konnten unterschiedliche Bildungsmechanismen für Aerosole in Biomassefeuerungen in Abhängigkeit des eingesetzten Brennstoffes erarbeitet werden. Die Daten und Erfahrungen aus den Testläufen sowie die Erkenntnisse aus den Untersuchungen zur Aerosolbildung wurden in weiterer Folge dazu eingesetzt, Aschen- und Aerosoldepositionen in Biomassefeuerungsanlagen genauer zu charakterisieren sowie ihre Bildung und ihre Eigenschaften zu untersuchen. Außerdem wurde das neu erlangte Wissen über den Beitrag von Schwermetallen zur Aerosolbildung dazu genutzt, eine neue Technologie, die eine Fraktionierung der Schwermetalle in den einzelnen Aschefraktionen die in Biomassefeuerungen anfallen erlaubt, zu testen. Mit dieser Technologie ist es möglich, umweltrelevante Schwermetalle in einem massenanteilig kleinen Seitenstrom der Gesamtasche zu konzentrieren, während der Großteil der anfallenden Aschen so geringe Schwermetallkonzentrationen aufweist, dass er als Sekundärrohstoff mit düngender Wirkung in der Land- und Forstwirtschaft eingesetzt werden kann. Zusammenfassend darf angemerkt werden, dass auf Basis der Ergebnisse des Projektes das Wissen bezüglich der Aerosolbildung sowie aschen- und aerosolbedingter Probleme in Biomasse-Festbettfeuerungen deutlich verbessert wurde, und somit ein weiterer Beitrag zur verstärkten Nutzung von Biomasse zur Wärme- und Stromerzeugung geleistet wurde.