Brennstoffanalyse

-> liefert wichtige Parameter für die Prozessführung und die Verbrennung:

• Kenntnis des Heizwerts -> nötige Brennstoffmenge

• Bestimmung des Wasser- und Aschegehalts

• bestehend aus: Kurzanalyse, Heizwertbestimmung, Elementaranalyse, Röntgenfluoreszens- und Ascheanalyse

• Ergebnise der Analyse liefern Rückschlüsse auf die Effekte der Korrosion und Verschlackung. Zum Beispiel:

  • Verschlackungsindex und Schwefel-Cholorindex:

-> Bezugszustände sind extrem wichtig: Brennstoff hat je nach Temp. und Luftfeuchtigkeit unterschiedlichen Wassergehalt -> deshalb Bezugsgröße der wasserfreien Brennstoffmasse:

Systematische Fehler durch Unvollkomenheit der Messtechnik, des Analyseverfahens oder der Durchführung. Abhilfe:

• Variation des Messsystems verringern

• Herstellerangaben der Messgeräte beachten

• Analyseparameter wie Luftfeuchtigkeit .. beachten

Statistische Fehler, sind zufällige Abweichungen vom physikalischen Wert. Abhilfe:

• Annäherung an den realen physikalischen Wert durch mehrfache Wiederholung und anschließende Bildung des arithmetischen Mittels der Messwerte:

Kurzanalyse ermittelt Wassergehalt (Feuchtigkeit), Aschengehalt und flüchtige Bestandteile

Wassergehalt:

• grobe Feuchtigkeit: mechanisch anhaftendes Wasser, das bei einer Temp > 30°C verdunstet. -> Bestimmung:

  • Analyse mit Feuchteanalysators oder:

  • Brennstoff muss lufttrocken sein (analysefeucht)

  • Trocknung bei 105°C dann Berechnung des Wassergehalts:

• Hygroskopische Feuchtigkeit: Wasser innerhalb der Kapillaren, verdunstet ab 106°C

Flüchtige Bestandteile:

• sind die organischen Verbindungen, die ab einer gewissen Temperatur verdampfen und den festen Brennstoff verlassen, können brennbare Gase enthalten, darum Analyse:

• Biomasse luftdicht verschlossen und auf 900°C erhitzt (7min) -> Berechnung des Anteils durch Masseverlust der Probe

Aschegehalt:

• mineralische Anteile der Biomasse wie: Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K, Ti, S, P

• Analyse: 1g Biomasse -> 550°C unter Sauerstoffzugabe verascht -> zurückbleibende Masse ist Asche, diese kann dann weiter unterscuht werden

Fixed C:

• Alle festen Bestandteile die an der Oxidation mit Sauerstoff teilnehmen können

• Errechnet indem Gewicht der Probe abzüglich der Feuchte, der Asche und der flüchtigen Bestandteile bilanziert werden

-> Elemntaranalysator arbeeitet nach dem Prinzip der katalytischen Rohrverbrennung unter O2 Zufuhr bei hohen Temperaturen

-> Verbrennungsgase (CO2, H2O, N2, SO2) werden über Trägergas transportiert und an Adsorptionssäulen voneinander getrennt

-> Wärmeleitfähigkeitsdetektor dient zur Messung der Gasbestandteile

über Sauerstoffgehalt und Massenbilanz werden die Bestandteile erechnet

Ablauf:

Probenvorbereitung:

• analysefeuchte Probe wird in Zinnbehälter verpackt

• Probeeinwage richtet sich nacg Elementgehalt, der Homogenität und dem Verbrennungsverhalten

• Einwaage abhänig von Druck und Sauerstoffbedarf

Kalibierung:

• Elementaranalysator ermittelt keine Absolutwerte

  -> Kalibierung durch Testsubstanzen mit bekanntem C-, H-, N- und S-Gehalt

Analyse:

• Proben werden unter hohen Temperaturen (ca. 1150°C) in Sauerstoff verbrannt

• Danach werden verbleibende Stickoxide und Schwefeloxide mit O2 reduziert

• Trennung des Gasgemischs an Adsorptionssäulen

• Messung der Wärmeleitfähigkeit der vier Gase und anschließender Vergleich mit dem Trägergas

Brennwert:

-> Auch oberer Heizwert H0, beschreibt die bei einer Verbrennung freigesetzte Wärmeenergie, wobei das produktseitige Wasser in flüssiger Form vorliegt -> Verdampfungsenthalpie wird berücksichtigt

Heizwert:

-> Wärmeenergie ohne die Verdampfungsenthalpie zu berücksichtigen (Produktwasser ist dampfförmig)

-> Bei Heizwertanalysen wird stets der Brennwert gemessen, da ein Teil des Wasserdampfes immer kondensiert

Bombenkalometrie: (Kalometrie = Messung von Wärmemengen)

-> Ermittlung des Brennwerts

-> Brennstoffprobe wird in reinem Sauerstoff unter hohem Druck verbrannt -> Druckbehälter ist in isolierendem Wasserbad versenkt ->

Temperaturanstieg des Wassers lässt Rückschuss auf den Brennwert zu

Analyse:

-> abgewogene Probe in Kalorimetermombe plaziert, versiegelt und mit O2 unter 30 bar befüllt

-> plazieren der Bombe in ein Wasserbad, das stetig gerührt wird

Fehlerquellen:

• Verbrennungsenthalpie der Zündschnur und der Verbrennungshilfe

• Bildung von SO3 anstatt von SO2 während der Verbrennung

• Unvollständige Kondensation von Wasserdampf in der Bombe

-> qualitative und quantitative Bestimmung der Emlementarzusammenstztung

-> Meist verwendendet für die Analyse der Aschezusammensetzung

Funktionsweise:

-> Atome der Probe werden mit Primärstrahlung angeregt, wodurch Kernnahe Elektornen aus der Elektronenhülle entfernt werden

Primärstrahlung = Röntgenstrahlung, Gammastrahlung, Ionen oder Elektronen

-> äußere Elektronen füllen die Lücke und emitieren Sekundärstrahlung/ Fluoreszenzstrahlung, welche der Energiedifferenz der betroffenen Schalen entspricht

Kalibrierung:

-> Erstellung von Kalibrieungskurven durch Standartproben

-> Kalibrieungskurve zeigt den Zusammenhang der Fluoreszenstrahlung und Brennstoffgehalts

Analyse:

Qualitative Analyse zur Bestimmung der enthaltenen Elemente in einer Probe:

-> Versuch ausgewertet, bei welchen charakteristischen Energien in keV die Fluoreszenzstrahlung detektiert

Quantitative Analyse zur Bestimmung der genauen Konzentrationen der enthaltene:

-> Intensität (Höhe der Peaks/Strahlung) auf die Konzentration in der Probe geschlossen

Probleme der Kalibrierung:

-> Jedes Element erzeugt Peaks bei verschiedenen charakteristischen Energien abhängig von den Schalen der Atome. Diese Energien werden mit Kα, Kβ, Lα, etc. bezeichnet

-> Eine Probe besteht normalerweise aus verschiedenen Elementen. Dadurch kann es zu einer Überlagerung von Peaks kommen, wodurch eine Differenzierung gestört wird

-> Asche = Gemisch anorganischer Verbindungen -> kein eindeutiger Schmelzpunkt.

Temperaturauswirkung auf das Ascheverhalten:

• Beginn der Schrumpfung (SST): Probekörperfläche sinkt auf 95 % der Referenzfläche bei 550 °C

• Erweichungstemperatur (DT): Erste Anzeichen einer Abrundung der Kanten mit Veränderung des Formfaktors um 15 %

• Halbkugeltemperatur (HT): Halbkugelförmiger Probekörper mit einer Höhe des Probekörpers gleich der Hälfte des Durchmessers der Grundfläche

• Fließtemperatur (FT): Asche breitet sich schichtenhaft aus, wobei die Höhe gleich der Hälfte der Probenhöhe bei der Halbkugeltemperatur liegt.

-> Mit Ascheschmelzmikroskop (ASM):

• Brennstoffasche wird unter oxidierender Atmosphäre mit vorgegebener Heizrate erhitzt (Untersuchung automatisch)

• ASM bestehend aus:

  • Lichtquelle die ein Schattenbild des Probekörpers erzeugt

  • elektrisch beheiztem Ofen (Tmax = 1700°C)

  • Digitalkamera

Probevorbereitung:

-> prismenförmiger Körper mit Höhe und Durchmesser von 3mm

Analyse:

-> Software erfassst größen während Erhitzung: Fläche, Höhe, Breite, etc.

Auswertung:

-> geschieht über den Formfaktor:

Die Bestimmung des Formfaktors wird mit dem Umfang eines vollkommenen Halbkreises b berechnet, der den gleichen Flächeninhalt A1 wie der Schatten A des Probekörpers aufweist.