Abreinigung der Asche aus Feuerungs­anlagen

Kaminfeger in der Schweiz

In der Abreinigung von Russ und Flugasche aus den Feuerungsanlagen hat sich in der Geschichte vieles verändert. Während die Vorfahren vorwiegend mit dem Russ im Rauchgas zu kämpfen hatten, sind die gegenwärtigen Feuerungsanlagen dank der geregelten Feuerung vorwiegend mit der Flugasche im Rauchgas konfrontiert. Der «Russ» welcher aus ungenügender Verbrennung stamme, kennt die moderne Verbrennungstechnologie nicht, denn dieser organische Kohlenstoffanteil wird bis zum anorganischen Rückstand, nämlich bis zu der Flugasche ausgebrannt.

Anhand des Abfalldreiecks ist ersichtlich, dass immer mit einem Anteil Asche im Abfall gerechnet werden muss.

In der industriellen Technik haben sich diverse Abreinigungsverfahren etabliert und der frühere Kaminfeger ist nur mehr selten zu sehen. Gegenwärtig werden moderne Feuerungsanlagen mittels diverser Abreinigungssysteme weitgehendst im kontinuierlichen Betrieb gehalten.

Kaminfeger in der Schweiz

Abb. 1: Der gute Kaminfeger der vergangenen Tage
[www.bote.ch/nachrichten/schwyz/schwyz_bdu/dieser-kaminfeger-hat-die-schoenste-aussicht]

So haben unsere Grosseltern den Abfall behandelt

Bereits unsere Vorfahren haben die Idee gehabt, den nicht benötigten Abfall zu behandeln, indem sie diesen verbrennen. Mit der Zeit wurde klar, dass die freigesetzte Wärme genutzt werden sollte. Bald wurden auch die unterschiedlichsten Öfen zum Heizen und Kochen entwickelt, in welchen neben dem eigentlichen Brennstoff Holz oder Kohle auch brennbare Abfälle verbrannt wurden.

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Abb. 2: Ein «Allesschlucker» der vergangenen Tage
[www.kaminofen-store.de/kuechenherd]

Im Zuge der Industrialisierung und Verdichtung der Population ist klar geworden, dass so eine Art der nicht geregelten Verbrennung sowohl unwirtschaftlich ist, als auch durch die diversen Brennstoffe neben dem Russ und Flugasche viele giftige Substanzen emittiert werden. Die Umgebung um jeden Kamin hat nicht nur nach «Verbranntem» gerochen, sondern auch das Atmen erschwert hat. Nicht bewusst waren die negativen Auswirkungen auf Mensch und Natur aufgrund der im Rauchgas enthaltenen Halogenide und Schwermetalle.

«Obwohl die Menschheit das Feuer als Segen oder Schrecken seit Jahrtausenden kennt, ist der physikalisch-chemische Vorgang der Verbrennung noch recht wenig wissenschaftlich durchdrungen» [W. Bioe 1901-1978, Lehrstuhl der Wärmetechnik TH Dresden]

Mit zunehmender Werkstoffvielfalt ist der Abfall energiereicher geworden, wodurch sich der Fokus von der Entsorgung auf die energetische Verwertung zur Erzeugung von elektrischer Energie, Prozesswärme oder Fernwärme verschoben hat.

Wie wird der Energiegehalt des Abfalls bemessen?

Mit dem Abfalldreieck kann der Zusammenhang von Abfallqualitäten anschaulich dargestellt werden, welcher auf folgender Beziehung aufgebaut ist: [Tanner Triangle for Assessment of Combustibility of MSW: World bank technical guidance report oder H. Hämmerli: Grundlagen zur Berechnung von Müllfeuerungen]

wobei das Brennbare* auch die Inertbestandteile wie Stickstoff sowie Sauerstoff enthält und deshalb mit einem Sternchen (*) versehen ist.

abfalldreieck

Abb. 3: Abfalldreieck nach Hämmerli, Tanner Triangle for Assessment of Combustibility of MSW [World Bank Technical Guidance Report]

Leider kann aus dem Abfalldreieck der wasserfreie Heizwert des Abfalls, also der energie-tragende Heizwert, nicht berechnen werden. Für die praktische Berechnung charakterisiert nur der wasser- und aschefreie Heizwert Hi,waf (=wasser-asche-frei) den Massenanteil des Brennbaren.

Jene Wärmemenge, die bei der vollständigen Verbrennung eines Stoffes als nutzbare Wärmemenge freigesetzt wird (freigesetzte Wärme abzüglich jener Energie, die für die Verdampfung des bei der Verbrennung entstandenen Wassers verloren geht) bezeichnet man als Heizwert.

Der Heizwert Hi (inferior; früher unterer Heizwert Hu) ist somit die bei einer Verbrennung maximal nutzbare Wärmemenge, bei der es nicht zu einer Kondensation des im Abgas enthaltenen Wasserdampfes kommt, bezogen auf die Menge des eingesetzten Brennstoffs.

Die Brennstoffwärmeleistung in (MJ/h oder MW) entspricht also der Energie pro Zeiteinheit, die bei der stöchiometrischen Verbrennung von mB Brennstoff (in Mg/h) mit dem Heizwert Hi (MJ/kg) freigesetzt wird.

Der Anteil an Asche ist nicht brennbar und wird grösstenteils aus dem Verbrennungsweg entweder als Rostrückstand oder als Flugasche mit dem Rauchgas ausgeschieden. Auf dem Rauchgasweg setzt sich ein bedeutender Anteil der Flugasche auf wärmeübertragenden Flächen ab und verschlechtert die Wärmenutzung. So wie früher die Kaminfeger den Rauchgasweg bis zum Kaminaustritt gereinigt haben, reinigen heutzutage diverse Reinigungsvorrichtungen den Rauchgasweg bis zum Austritt aus dem Kessel.  

Die gegenwärtig nach dem Stand der Technik betriebenen Biomasse- und Abfallverbrennungsanlagen sind vorwiegend auf einer Rost- oder Wirbelschichttechnologie aufgebaut und arbeiten über viele Monate im kontinuierlichen Betrieb. Die Abreinigung der Flugasche hat immer noch ein beachtliches Verbesserungspotential.

Was passiert mit der «Kaminreinigung»?

Eine Übersicht der Kesselreinigungsverfahren ist in dem Blog der Explosion Power GmbH zu entnehmen.

Explosion Power GmbH verfügt über eine Produktreihe von online und automatisch arbeitenden Shock Pulse Generatoren (SPGs) zur Kesselreinigung, welche an der äusseren Kesselwand angebracht werden. Während des Kesselbetriebes bleibt der Kessel geschlossen und die Aktivierung erfolgt über das Prozessleitsystem.

Bei dieser Reinigungstechnologie wird mittels Verbrennung von Erdgas mit Hilfe von Luft oder Sauerstoff in einem druckfesten Behälter eine kleine Menge Verbrennungsgas schlagartig in den Kessel eingeleitet. Durch die räumliche Ausbreitung dieser Shockwelle wird das gesamte Kesselinnere von den Ablagerungen befreit. Dieses kesselschonende Reinigungsverfahren verhindert jegliche Beschädigung der Kesselinnenteile aufgrund von Reinigungsvorgängen.

Gegenwärtig befinden sich über 700 solcher Shock Pulse Generatoren (SPG) für unterschiedliche Anwendungszwecke in über 20 Ländern weltweit erfolgreich in Betrieb. Dadurch konnten die Betreiber den kontinuierlichen Kesselbetrieb deutlich verbessern und die Wirtschaftlichkeit steigern.

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Abb. 4: Unterschiede bei den eingebauten SPGs in einer Anlage:
Links SPGr mit Luft und rechts ein SPG mit Sauerstoff als Verbrennungskomponente, wobei beide sind mit dem Brennstoff Erdgas betrieben [Bild Explosion Power GmbH]