Detaillierte experimentelle Untersuchung der Schadstoffbildung bei der Holzverbrennung

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Holz ist ein nahezu CO2-neutraler Brennstoff. Allein in Deutschland schätzt man
sein Energiepotenzial auf 10 bis 17 Millionen Tonnen Steinkohleäquivalent pro
Jahr, je nachdem, wie viel Brachfläche für den Anbau genutzt wird. Man hat es also
mit einer ausbaufähigen erneuerbaren Energiequelle zu tun. Andererseits wird
bei der Erhitzung von Holz in noch stärkerem Maß als bei Kohle brennbares Gas
gebildet. Die Entgasungsgeschwindigkeit hängt stark von zumeist schwankenden
Parametern wie Temperatur und Strömungsverhältnissen ab, was die Holzverbrennung
zu einem komplizierten Verfahren macht. Weil die Holzverbrennung oft
nicht mit dem notwendigen verfahrenstechnischen Aufwand betrieben wird, entstehen
hohe Konzentrationen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Teerpartikeln.
Dies führt in dicht besiedelten Gebieten zu Interessenskonflikten. Um
den Prozess der Schadstoffbildung genauer zu untersuchen, wurden kleine kugelförmige Buchenholzproben über eine laminare vorgemischte Flachflamme gebracht.
Temperatur und Restsauerstoffgehalt des Brennerabgases wurden variiert
und die zeitliche Entwicklung von drei Größen wurde gemessen:
Massenverlust als Indikator für den Verbrennungsfortschritt.
Zusammensetzung des Pyrolysegases mittels Gaschromatographie.
Partikelgrößenverteilung mittels eines differentiellen Mobilitätsanalysators.
Mit dem Messaufbau konnten circa 200 Einzelstoffe nachgewiesen werden. Allerdings
wird der größte Teil des Pyrolysegases von wenigen Substanzen gebildet,
wie Kohlenmonoxid, Propanon, Buten, Methan, Furfural und oxygenierten
Aromaten wie z.B. Vanillin. Zu frühen Versuchszeitpunkten oder bei Temperaturen
unterhalb von 900K besteht das Pyrolysegas hauptsächlich aus niedermolekularen
Stoffen. Bei späteren Zeitpunkten oder erhöhten Temperaturen werden in
zunehmender Menge komplexere Substanzen nachgewiesen. Die emittierten Partikel
bestehen hauptsächlich aus Teer und zu einem kleinen Teil aus Ruß. In den
Messungen zeigt sich eine bimodale Verteilung: Eine Häufung von Partikeln im
Größenbereich um 15nm und eine weitere Häufung bei ≈ 100nm. Mittelgroße
Partikel von ca. 35nm treten kaum auf. Des Weiteren besteht ein ausgeprägter
Zusammenhang zwischen der Anzahl der Partikel und ihrem Volumen.