Vor-Ort-Analyse der Brennstoffe mit Röntgenfluoreszenz hilft bei Optimierung von Holzheizkraftwerken

Bei der Röntgenfluoreszenzanalyse wird die Materialprobe durch Röntgenstrahlung angeregt, die für eine Umverteilung der Elektronen sorgt. Diese können auf ein niedrigeres Energieniveau fallen, wodurch Energie in Form von Fluoreszenzstrahlung abgegeben wird. Sie entspricht der spezifischen Verteilung bestimmter chemischer Elemente in der Materialprobe. „In unserer Studie an biogenen Festbrennstoffen zeigte sich, dass die Röntgenfluoreszenzanalyse für die Elemente Magnesium, Phosphor, Kalium, Calcium, Silizium, Aluminium, Chrom, Mangan, Eisen, Zink und Blei problemlos eingesetzt werden kann. Für die Elemente Schwefel, Chlor, Titan und Nickel waren hingegen spezifische Kalibrierungen erforderlich“, berichtet Felix Endriss von der Hochschule für Forstwirtschaft Rottenburg, der Erstautor der Studie. Vorteil der Analysemethode sei, dass die Probe nicht zerstört wird und nicht aufwändig aufbereitet werden muss.

Unterschiedliches Probenmaterial

Für die schnelle und präzise Bestimmung chemischer Elemente in Holzbrennstoffen durch einen Röntgenfluoreszenzanalysator wurde dieser in der neuen Studie anhand von verschiedenen Brennstoffproben kalibriert und die Ergebnisse mit denen der Referenzmethode ICP-OES verglichen. „Die Proben reichten von normalem Holz über Grünschnitt und Landschaftspflegematerial mit teilweise hohen mineralischen Verunreinigungen wie zum Beispiel Sand, Kieseln oder Erdreich bis hin zu Altholz, das alle möglichen Verunreinigungen wie Anstriche, Glas oder Metalle enthielt“, sagt Endriss. Mit dem Wissen über die Verteilung der chemischen Elemente in einer Probe können die Reaktionen in der Heizkraftanlage sowie die Menge der Schadstoffemissionen abgeschätzt werden. „Sind die angelieferten Brennstoffe zum Beispiel stark verunreinigt, können sie abgelehnt oder gezielt sortiert werden. Dadurch kann man eine gleichbleibende Brennstoffqualität erhalten und die Verbrennungsprozesse optimieren“, sagt Thorwarth. Das schone die Umwelt wie auch die Anlagenteile.

„Kupfer, Arsen und Cadmium lagen in unseren Proben oft unterhalb der Nachweisgrenze. Aber auch hier sehen wir ein großes Potenzial für die Überwachung der Grenzwerte, etwa bei Altholz“, sagt Andreas Kappler. Dadurch könne Altholz besser klassifiziert und der Eintrag von schadstoffbelastetem Holz in die Kreislaufwirtschaft verhindert werden – ebenso wie die energetische Verwertung von schadstofffreiem, noch gut für andere Zwecke nutzbarem Holz. „Die Röntgenfluoreszenzanalyse kann eine effiziente und kostengünstige Lösung für die Qualitätskontrolle von biogenen Festbrennstoffen sein und die Zukunft der Holzheizkraftwerke maßgeblich prägen“, fasst Kappler das Studienergebnis zusammen.

Publikation:

Felix Endriss, Daniel Kuptz, Dirk Wissmann, Hans Hartmann, Elke Dietz, Andreas Kappler, Harald Thorwarth (2024): Evaluation and optimisation of an X-Ray fluorescence analyser for rapid analysis of chemical elements in solid biofuels. Energy & Fuels, https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.4c01771