Ascheschmelzverhalten und Schlacke

Was ist Schlacke?

Asche bleibt im Brenner nicht immer locker. Beginnt sie bei Brennraumtemperatur zu erweichen, verkleben ihre Partikel miteinander und bilden nach dem Abkühlen harte, oft glasige Brocken – Schlacke (Zusammengebackene, teilweise geschmolzene Aschebrocken, die im Brenner entstehen. Nach dem Abkühlen sind sie hart und schwer zu entfernen.)Zusammengebackene, teilweise geschmolzene Aschebrocken, die im Brenner entstehen. Nach dem Abkühlen sind sie hart und schwer zu entfernen.. Schlacke verdeckt die Öffnungen im Rost, durch die die Verbrennungsluft strömt, behindert den Brennstofftransport und die Entaschung. Die Folge sind eine instabile Verbrennung, mehr unverbrannte Partikel und im Extremfall ein Stillstand des Kessels.

So wird das Ascheschmelzverhalten geprüft (ISO 21404)

Das Verhalten der Asche bei hohen Temperaturen wird nach der Norm ISO 21404:2020 geprüft, die die frühere Spezifikation CEN/TS 15370-1:2006 ersetzt hat^[24]. Aus der Brennstoffprobe wird zunächst Asche hergestellt. Im ENplus-System geschieht das bei 815 °C^[1]. Anschließend wird aus der Asche ein kleiner Probekörper geformt und im Ofen erhitzt, während man die Veränderung seiner Form beobachtet. Die Temperaturen, bei denen die einzelnen Veränderungen eintreten, sind die charakteristischen Temperaturen (Temperaturen, bei denen der Asche-Probekörper in der Prüfung nach ISO 21404 bestimmte Stadien erreicht: Schrumpfung, Erweichung, Halbkugel und Fließen.)Temperaturen, bei denen der Asche-Probekörper in der Prüfung nach ISO 21404 bestimmte Stadien erreicht: Schrumpfung, Erweichung, Halbkugel und Fließen.:

• SST (engl. shrinkage starting temperature) – Schrumpfungsbeginn: Der Probekörper beginnt zu schrumpfen;
• DT (engl. deformation temperature) – Erweichungstemperatur: erste Anzeichen des Erweichens, die Kanten runden sich ab;
• HT (engl. hemisphere temperature) – Halbkugeltemperatur: Der Probekörper nimmt annähernd die Form einer Halbkugel an;
• FT (engl. flow temperature) – Fließtemperatur: Die Asche zerfließt auf der Unterlage.

Für Kesselbetreiber ist die Erweichungstemperatur am wichtigsten: Ab ihr beginnt das Risiko, dass die Asche im Brenner verklebt. Je höher die DT, desto größer die Sicherheitsreserve.

Anforderungen von ENplus und Norm

ENplus verlangt außerdem, dass im Prüfbericht alle in ISO 21404 genannten charakteristischen Temperaturen angegeben werden, nicht nur die DT^[1]. In der Norm ISO 17225-2 wurde das Hochtemperaturverhalten der Asche erst mit der Ausgabe von 2021 zur Pflichtanforderung, die DT-Schwellenwerte in die Klassentabelle aufnahm^[11]; der Entwurf dieser Norm nennt dieselben Werte wie ENplus^[12].

Warum sich ähnliche Asche unterschiedlich verhält

Zwei Pellets mit fast gleichem Aschegehalt können sich im Brenner völlig unterschiedlich verhalten. Über das Schmelzverhalten entscheidet nämlich die chemische Zusammensetzung der Asche – das Verhältnis der Hauptelemente, die nach ISO 16967 bestimmt werden, u. a. Calcium, Magnesium, Kalium, Natrium, Silicium, Phosphor und Eisen^[25].

Die allgemeinen Zusammenhänge sind gut bekannt, ihre Stärke hängt jedoch von der konkreten Zusammensetzung ab:

• Calcium und Magnesium erhöhen in der Regel die Ascheschmelztemperatur – eine an diesen Elementen reiche Asche bleibt auch bei höheren Temperaturen locker.
• Kalium und Natrium senken sie. Besonders ungünstig ist die Kombination von Kalium mit Silicium, die leicht schmelzende Silikate bildet.
• Silicium stammt im Holz vor allem aus mineralischen Verunreinigungen – Sand und Erde, die mit der Rinde, beim Rücken oder bei der Lagerung auf dem Boden in den Rohstoff gelangen.

Der Aschegehalt allein entscheidet deshalb nicht über die Neigung zur Verschlackung. Eine geringe Menge Asche mit ungünstiger Zusammensetzung kann mehr Probleme bereiten als eine etwas größere Menge calciumreicher Asche.

Was die Messdaten zeigen

Die finnische VTT-Studie stellt Ascheerweichungstemperaturen (in oxidierender Atmosphäre) für verschiedene Holzbrennstoffe zusammen. Der allgemeine Bereich für Holzasche liegt bei 1150–1490 °C^[44].

Aus diesen Daten ergeben sich zwei wichtige Beobachtungen. Erstens lagen selbst saubere Kiefernsägespäne in dieser Zusammenstellung mit ihrer DT unter der Schwelle der Klasse A1 (1200 °C) – „sauberes Holz“ garantiert also nicht automatisch eine hohe Erweichungstemperatur. Zweitens hatte Rinde hier eine deutlich höhere DT als Sägespäne, obwohl sie wesentlich mehr Asche enthält^[44]. Rinde erhöht also vor allem die Menge der Asche, ihr Einfluss auf das Schmelzverhalten hängt von der Zusammensetzung ab – in der Praxis sind die mineralischen Verunreinigungen, die mit ihr in den Rohstoff gelangen, oft das größere Problem.

In einer Untersuchung von 30 Pelletproben vom polnischen Markt war eine zu niedrige Ascheschmelztemperatur eines der festgestellten Probleme, neben erhöhtem Aschegehalt und unerwünschten Beimengungen wie Rinde, anorganischem Material und Mineralölprodukten^[47].

Was Betreiber tun können

Die Laboranalyse prüft die Asche unter kontrollierten Bedingungen, im Brenner dagegen schwanken die Bedingungen: Die Temperatur ist stellenweise höher, die Luftzufuhr ungleichmäßig. Auf die Schlackebildung wirken sich also auch der Kessel und seine Einstellungen aus.