Pyrolysegas ist ein anspruchsvoller Brennstoff. Seine Zusammensetzung und sein Heizwert schwanken mit dem Reststoff, der Feuchte und dem Betriebspunkt. Gleichzeitig soll die Verbrennung sauber laufen, wenig Stickoxide bilden und den nachgeschalteten Wärmetauscher gleichmäßig beheizen. In der Pyro-ClinX lösen wir das mit flammloser Oxidation, kurz FLOX.

In diesem Beitrag erkläre ich, was hinter dem Verfahren steckt, warum es so gut zu Pyrolysegas passt und wo seine Grenzen liegen.

Wie funktioniert flammlose Oxidation?

In einer klassischen Flamme treffen Brennstoff und Luft an einer dünnen Reaktionszone aufeinander. Dort wird es sehr heiß, oft deutlich über 1.500 °C. Genau diese Temperaturspitzen sind der Hauptgrund für thermische Stickoxide.

Bei FLOX wird die Verbrennungsluft mit hoher Geschwindigkeit eingedüst. Sie reißt große Mengen heißes Abgas aus dem Brennraum mit und vermischt sich damit, bevor sie auf den Brennstoff trifft. Der Sauerstoffanteil sinkt, die Temperatur des Gemischs liegt aber bereits über der Zündtemperatur. Die Oxidation läuft dann nicht mehr an einer Flammenfront ab, sondern verteilt im ganzen Volumen. Der Brennraum leuchtet gleichmäßig, eine Flamme ist nicht zu sehen.

Beschrieben wurde das Prinzip von Joachim A. Wünning und Joachim G. Wünning (1997). In der Forschung ist es auch als MILD-Verbrennung bekannt, Cavaliere und de Joannon (2004) haben die Grundlagen dazu zusammengefasst.

Warum weniger Stickoxide entstehen

Thermische Stickoxide bilden sich vor allem dort, wo es lokal sehr heiß ist. Weil FLOX diese Spitzen vermeidet, bleiben die Stickoxidwerte auch bei hoher Luftvorwärmung niedrig. Das ist ein wichtiger Vorteil, denn vorgewärmte Luft verbessert den Wirkungsgrad, treibt bei einer normalen Flamme aber die Stickoxide nach oben.

Flamme oder FLOX? Der Vergleich

Woher kommt FLOX?

Das Verfahren wurde in den 1990er-Jahren für Industrieöfen entwickelt, zum Beispiel für die Wärmebehandlung von Stahl. Dort ermöglichte es eine starke Vorwärmung der Verbrennungsluft, ohne dass die Stickoxide anstiegen. Seitdem wird flammlose Oxidation auch für andere Anwendungen erforscht, etwa für Gasturbinen und für Brenngase mit wechselnder Zusammensetzung.

Warum passt FLOX zu Pyrolysegas?

Stabil bei wechselnder Gasqualität

Pyrolysegas besteht vor allem aus Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Methan und Kohlendioxid. Die Anteile ändern sich mit dem Holz, seiner Feuchte und der Temperatur im Reaktor. Eine Flamme reagiert darauf empfindlich, sie kann instabil werden oder abheben. Die flammlose Oxidation ist hier robuster, weil die Reaktion im heißen, durchmischten Volumen ohnehin abläuft.

Gleichmäßige Wärme für den Wärmetauscher

Hinter dem FLOX-Brennraum sitzt der Hochtemperatur-Wärmetauscher. Er erhitzt die saubere, verdichtete Luft, die die Mikrogasturbine antreibt. Eine gleichmäßige Temperaturverteilung ohne heiße Stellen schont das Material und hält den Wärmeübergang konstant.

Warme Turbinenabluft als Verbrennungsluft

Die Luft, die aus der Turbine kommt, ist noch heiß und enthält viel Sauerstoff. In der Pyro-ClinX wird sie als vorgewärmte Verbrennungsluft in den Brennraum geführt. So bleibt die Energie im Prozess, und FLOX sorgt dafür, dass die hohe Luftvorwärmung nicht zu mehr Stickoxiden führt.

Wie arbeitet FLOX in der Pyro-ClinX?

Der Weg des Gases ist kurz: Im Pyrolysereaktor entsteht aus holzigen Reststoffen Pyrolysegas. Es strömt direkt in den FLOX-Brennraum und wird dort vollständig oxidiert. Das heiße Rauchgas gibt seine Wärme im Hochtemperatur-Wärmetauscher an die Turbinenluft ab, danach im Economizer an das Heizwasser. Erst dann verlässt es die Anlage über den Kamin.

Die Mikrogasturbine kommt mit dem Pyrolysegas und dem Rauchgas nie in Kontakt, weil sie extern befeuert ist. Durch sie strömt nur saubere, heiße Luft.

Grenzen des Verfahrens

Flammlose Oxidation braucht einen heißen Brennraum. Beim Start läuft der FLOX-Brenner deshalb zunächst im Flammenbetrieb, bis die nötige Temperatur erreicht ist. Außerdem muss der Brennraum so ausgelegt sein, dass die Abgasrückführung bei allen Lastzuständen funktioniert. Das ist Ingenieursarbeit, die wir für die Pyro-ClinX im eigenen Haus gemacht haben.

Mehr dazu: Pyro-ClinX 150, Pyrolyse einfach erklärt und die extern befeuerte Mikrogasturbine.

Häufige Fragen

Was bedeutet FLOX?

FLOX ist die Abkürzung für flammlose Oxidation. Brennstoff und Luft reagieren ohne sichtbare Flamme, verteilt im ganzen Brennraum.

Ist flammlose Oxidation eine Verbrennung?

Chemisch ja, der Brennstoff reagiert mit Sauerstoff zu CO₂ und Wasser. Der Unterschied liegt in der Art der Reaktion: ohne Flammenfront und ohne Temperaturspitzen.

Warum entstehen weniger Stickoxide?

Stickoxide bilden sich vor allem bei sehr hohen Temperaturen an der Flammenfront. Bei FLOX gibt es diese Spitzen nicht, weil die Reaktion gleichmäßig im Raum verteilt ist.

Welche Temperatur hat der FLOX-Brennraum der Pyro-ClinX?

Das Pyrolysegas oxidiert dort bei bis zu 1.200 °C.

Ist FLOX das Gleiche wie MILD-Verbrennung?

Sehr ähnlich. MILD steht für Moderate or Intense Low-oxygen Dilution und beschreibt dasselbe Prinzip aus Sicht der Verbrennungsforschung.

Braucht FLOX einen besonderen Brennstoff?

Nein. Entscheidend ist die Auslegung des Brennraums. Erdgas, Biogas oder Pyrolysegas lassen sich flammlos oxidieren.

Quellen

• Wünning, J. A., Wünning, J. G. (1997): Flameless oxidation to reduce thermal NO-formation. Progress in Energy and Combustion Science 23, 81 bis 94.
• Cavaliere, A., de Joannon, M. (2004): Mild combustion. Progress in Energy and Combustion Science 30, 329 bis 366.
• Al-attab, K. A., Zainal, Z. A. (2015): Externally fired gas turbine technology: A review. Applied Energy 138, 474 bis 487.
• Bridgwater, A. V. (2012): Review of fast pyrolysis of biomass and product upgrading. Biomass and Bioenergy 38, 68 bis 94.