Detaillierte experimentelle Untersuchung der Schadstoffbildung bei der Holzverbrennung

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.