[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Verbrennen und Vergasen von ballen-
oder bündelförmigen sowie pastöser oder stichfester Brennstoffe, insbesondere Biomassen,
mit wenigstens einem in eine primäre Reaktionszone mündenden Vorschubkanal für den
Brennstoff und gegenüber dem freien Ende des Vorschubkanals angeordneten, gegen den
Brennstoff gerichteten Austrittsöffnungen für sauerstoffhältiges Gas.
[0002] Die Verwendung von Stroh und halmartigen Energiepflanzen in Ballen- oder Bündel-Form
ergibt sich aus der Notwendigkeit des Transportes und der Lagerung.
[0003] Viele Energieerzeugungsanlagen zerreißen und zerkleinern diese Ballen vor der Verfeuerung,
was hohe Anlagekosten, hohe Wartungs- und Instandhaltungskosten sowie hohe (elektrische)
Energiekosten verursacht. Diese Technologie wird vereinzelt für kleinere Heizwerke
und auch - im beschränkten Umfang - in größeren Kraftwerken, auch als Mitverbrennung
mit Kohle als Hauptbrennstoff, verwendet.
[0004] Bei den Ganzballenverbrennungsanlagen von Stroh ist die sogenannte Zigarrenfeuerung
bekannt: Beim Eintritt des Ballens in die Verbrennungskammer wird am Umfang, also
seitlich zur gedachten Ballenstirnfläche etwas Luft über eine Vielzahl von kleinen
Bohrungen zugeführt; durch das Verbrennen der Verpackungsschnüre zerfällt der Ballen
in unterschiedlich große Teile, welche auf einem konventionellen Rost (meist: Schrägrost,
vibriert und wassergekühlt) verbrannt werden. Dieser Rost ist platzaufwendig und teuer,
da er auf die volle Feuerungsleistung und auf die maximale Teile-Größe auszulegen
ist.
[0005] Im Dokument
PCT/DE85/00220 wird eine Ganzballenverbrennungsanlage auf Basis Stroh vorgeschlagen, in welcher
der Einschubkanal beheizt ist, so dass dort schon eine Trocknung und Vorvergasung
des Ballens stattfinden soll. Wegen der geringen Wärmeleitung des Strohs ist eine
derartige Anordnung nur für sehr kleine Ballendimensionen denkbar - abgesehen von
der Gefahr des Rückbrandes im Einschubkanal.
[0006] Im Dokument
DD 282 063 A5 wird eine Ganzballenverbrennungsanlage auf Basis Stroh vorgeschlagen, bei welcher
der Ballen vor dem Eintritt in der Brennkammer durch einen kegelförmigen Hohlkörper,
durch den Verbrennungsluft und rückgeführtes Heißgas durch Bohrungen in den Ballen
dringt, aufgespießt wird. Vermutlich würden Einrichtungen dieser Art die Vorschubkraft
des Stößels im Beschickungskanal wesentlich erhöhen und den Brand / Rückbrand in den
Beschickungskanal begünstigen; eine gleichmäßige Durchgasung innerhalb des Ballens
ist eher schwer zu erzielen.
[0007] In der
EP 1 070 918 B1 ist eine Vorrichtung der eingangs charakterisierten Art beschrieben, bei der durch
Luftstrahlen ein Brennfleck auf dem Brennstoffballen erzeugt wird. Obzwar diese Vorrichtung
wesentliche Vorteile aufweist, konnte sie nicht zur Gänze befriedigen.
[0008] Biomassen und insbesondere halmartige Brennstoffe haben einen niedrigen Ascheschmelzpunkt
- er liegt weit unterhalb der Brennraumtemperatur von konventionellen, kohlegefeuerten
Kesseln - und es muß nun versucht werden, die Verbrennungstemperatur an jeder Stelle
knapp unterhalb der Ascheerweichung zu fahren. Bei allen angeführten Verfahren fehlt
der Ansatz, wie die örtliche Verbrennungstemperatur kontrolliert werden kann, um die
Problematik der Verschlackung in den Griff zu bekommen.
[0009] Die gegenständliche Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, die oben genannten Nachteile
zu vermeiden. Erreicht wird dies durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Merkmale.
[0010] Die gegenständliche Erfindung ist beispielhaft in den nachfolgenden Figuren beschrieben
und erläutert, ohne auf diese Beispiele beschränkt zu sein. Dabei zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung;
Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie A-A in Fig. 1;
Fig. 3 eine Variante der Brennstoffförderung;
Fig. 4 einen Drallapparat;
die Fig. 5 und 6 Beispiele der Wandausbildung;
Fig. 7 und 7a eine mögliche Ausbildung der Rückhaltevorrichtung;
Fig. 8 eine Variante einer Vorrichtung nach der Erfindung;
Fig. 9 das Verfahrensfließbild;
Fig. 10, 11 und 12 Gestaltungsmöglichkeiten der Koks-Nachverbrennungszone;
Fig. 13 eine Variante.
[0011] Die
Fig. 1 zeigt das Grundprinzip. Der über die Speiseöffnung 2 in den Speisekanal 3 eingebrachte
ballen- oder bündelförmige Brennstoff 1, z. B. Stroh, wird über einen Vorschubkanal
0 in die Primär-Reaktionszone 20 eingebracht, wo dieser durch die Berührung mit dem
wenigstens teilweise aus Oxidationsgasen bestehenden gerichteten Freistahl 27 die
verdampfte Brennstofffeuchte abgibt und zu Koks zerfällt. Dabei entweichen flüchtige,
noch brennbare Gase. Der Koks und die nicht vollständig entgasten Fest-Brennstoffteile
werden in der Koks-Nachverbrennungszone 40 fertig verbrannt, wobei Asche zurückbleibt.
Die flüchtigen Gase sowie die Rauchgase aus der Nachverbrennungszone 40 werden in
der Gas-Nachverbrennungszone 60 zu Rauchgas nachverbrannt.
[0012] Die Figur zeigt bereits wesentliche Merkmale der Ausbildung der Primär-Reaktionszone:
Das Oxidationsgas wird über einen Freistrahl oder ein Freistrahlbündel 27 frontal
auf die Stirnfläche des eingebrachten Brennstoffs 1 zugeführt und möglichst gleichmäßig
verteilt, um einen flächigen Abbrand zu erzielen. Die Austrittsöffnungen für die Freistrahlen
27 verlaufen etwa parallel zur jeweiligen Stirnfläche des Brennstoffs 1.
[0013] Die
Fig. 2 zeigt die Brennstoff-Speisung im Schnitt A-A in Fig. 1. Zusätzlich zur oder anstatt
des Vorschubkanals 0 für ballen- oder bündelförmige Brennstoffe 1 mit einem Stößel
4 können auch für pastöse Brennstoffe, z. B. Klärschlamm, mittels einer Förderschnecke
5 eingebracht werden. An der jeweiligen Brennstoffeinmündung 21 wird jede Brennstoff-Einspeisung
mit eigenen Freistrahlen bzw. Freistrahlbündeln 27 mit Oxidationsgasen versorgt.
[0014] Die
Fig. 3 zeigt eine weitere Option der Brennstoffförderung: hier sind Mitnehmer 6 vorgesehen,
die z. B. auf einer Kette oder auch Walzen umlaufen oder auch hin und hergehen, wobei
im letztgenannten Falle die Mitnehmer 6 in der Förderrichtung den Brennstoff 1 form-
oder kraftschlüssig erfassen (Einstehen bzw. Einklemmen) und in der Zurückbewegung
den Brennstoff 1 loslassen.
[0015] Die
Fig. 4 zeigt einen Drallapparat 28 für den Freistrahl 27 des Oxidations-Gases, um diesem
mehr Stabilität zu verleihen.
[0016] Die
Fig. 5 zeigt ein Detail der Auskleidung der Primär-Reaktionszone 20. Um die Reaktion effizient
zu gestalten und die nötige Reaktionstemperatur aufrecht zu erhalten, ist in dieser
Zone eine Kühlung, z. B. durch Kesselheizflächen, nicht sinnvoll. Diese ist vielmehr
mit einer Wärmedämmung versehen oder allenfalls schwach gekühlt. In der Figur ist
als Wärmedämmung eine konventionelle Ausmauerung 30 aus Feuerfestmasse dargestellt.
[0017] Die
Fig.6 zeigt eine weitere Möglichkeit der Auskleidung der Primär-Reaktionszone 20. Hier
wird die Primär-Reaktionszone 20 durch dachschindelartige Elemente 22 ausgekleidet,
die mittels Haken 31 aufgehängt sind. Da diese nicht gasdicht sind, ist in Richtung
nach außen eine Dichthaut 29 (aus Blech) vorgesehen; zwischen den dachschindelartigen
Elementen 22 und der Dichthaut 29 befindet sich eine Wärmedämmung 30' oder einfach
nur ein stagnierender Gasspalt zur Verminderung des Wärmeflusses nach außen.
[0018] Die
Fig. 7 zeigt die Koks-Nachverbrennungszone 40, ausgestattet mit einer als Drehrost ausgebildeten
Brennstoff Rückhaltevorrichtung 51, um die nötige Aufenthaltszeit sicherzustellen.
Der Drehrost ist gegenüber dem Mittel der Koks-Nachverbrennungszone 40 versetzt. Bei
einer Drehung schiebt der Rand des Drehrosts den auf ihm liegenden Brennstoff daher
zur Mitte (
Fig. 7a). Die Asche wird über eine Austragsöffnung 55 zu einer Aschenschleuse 56 befördert.
Das Oxidationsgas wird über eine Gasverteileinrichtung eingebracht. Schüttgutartiger
Zusatzbrennstoff kann über einen Schüttgut-Brennstoffeintrag 42 eingeführt werden.
[0019] Die
Fig.8 zeigt eine alternative Anordnung: die Gase aus der Koks-Nachverbrennungszone 40 fließen
direkt zusammen mit den Gasen der Primär-Reaktionszone 20 zur gemeinsamen Gas-Nachverbrennungszone
60. Die Achse der Gas-Nachverbrennungszone 60 kann dabei geneigt sein (wie gezeigt)
oder auch horizontal. Vor der Gas-Nachverbrennungszone 60 kann ein Grobstaubabscheider
61 vorgesehen werden, um den Ausbrand zu verbessern und den Funkenflug zu vermindern.
Die Gase gelangen nach dem Grobstaubabscheider 61 in eine Kammer 62, der über Öffnungen
65 einer Ringleitung 64 Oxidationsgas zugeführt wird. Das Oxidationsgas tritt bei
63 in die Ringleitung 64 ein. Bei 66 treten die Rauchgase aus.
[0020] Die
Fig. 9 zeigt das Gesamt - Verfahrensfließbild zum Verbrennen von Brennstoffen: Die Rauchgas-Austrittsöffnung
aus dem Ofen ist über eine Heißgasrohrleitung 66 mit einem Kessel 72 verbunden, welcher
das Rauchgas nutzbringend abkühlt. Anstatt eines Kessels, sei es ein Dampfkessel oder
ein Heißwasserkessel, kann auch ein Wärmetauscher, z. B. zur Thermoöl- oder Heißlufterzeugung
oder ein Trocknungsprozess als Wärmesenke eingesetzt werden.
[0021] Dieses abgekühlte Rauchgas kann über einen Grobabscheider 74 zum Zwecke der teilweisen
Entstaubung geführt werden. Eine Teilmenge dieses abgekühlten und gegebenenfalls teilentstaubten
Rauchgas wird über eine Rauchgas-Rezirkulationseinrichtung 80 geführt und mit Brennluft
aus der Brennluft-Versorgungseinrichtung 90 in einer Gas-Misch- und Zuteileinrichtung
100 zum Ofen zurückgeführt, und zwar zonenweise, über die Oxidationsgas-Eintrittsöffnungen
23, 43 und 63 für die Primär-Reaktionszone 20, die Koksnachverbrennungszone 40 bzw.
die Gas-Nachverbrennungszone 60. Die verbleibende, sozusagen überschüssige, Teilmenge
dieses abgekühlten Rauchgases wird über eine Abgas-Abgabeeinrichtung 110, bestehend
z. B. aus einem Saugzuggebläse, einer Rauchgasreinigungsanlage (nicht dargestellt)
und einem Kamin an die Umgebung abgeführt.
[0022] Die Gas-Misch- und Zuteileinrichtung 100 hat die Aufgabe, für jede Zonen die richtige
Menge des Oxidationsgases mit der richtigen Mischung aus rezirkuliertem Rauchgas und
Brennluft bereitzustellen. Dazu können - wie in der Figur dargestellt - durchsatzregelbare
Gasfördereinrichtungen 101, 104 und 107 für das rezirkulierte Rauchgas sowie durchsatzregelbare
Gasfördereinrichtungen 102, 105 und 108 für die Brennluft vorgesehen werden und die
einzelnen Gasströmen in Mischeinrichtungen 103, 106 und 109 zu den Oxidationsgasen
der Primär-Reaktionszone 20, der Koksnachverbrennungszone 40 bzw. der Gas-Nachverbrennungszone
60 abgemischt werden. Die durchsatzregelbare Gasfördereinrichtungen können z. B. drehzahlregelbare
oder Drall oder auch Drossel geregelte Gebläse sein oder es kann auch jeweils ein
Gebläse für das Rezirkluationsgas und ein Gebläse für die Brennluft vorgesehen werden
und die Zuteilung der einzelnen Zonen durch Regelklappen erfolgen.
[0023] Die
Figuren 10, 11 und 12 zeigen eine weitere Gestaltungsmöglichkeit der Koks-Nachverbrennungszone 40.
[0024] Die
Fig. 10 zeigt den Aufriss dieser Variante der Koks-Nachverbrennungszone 40. Die Brennstoff-Rückhaltevorrichtung
ist hier so ausgebildet bzw. wird so betrieben, dass ein Rückstau des Brennstoffes
erfolgt. Es ist für die Erfindung gleichbedeutend, ob nun das rückgestaute Material
in Form einer Schüttung (einem Festbett) vorliegt oder - auf Grund der intensiven
Durchgasung und Vergasung - in Form einer Wirbelschicht. Im dargestellten Fall wird
beispielsweise der untere Teil der Koks-Nachverbrennungszone - so wie ein Silo oder
Bunker - eingezogen und das Material stützt sich auf einem Drehteller 52 ab. Beim
Drehen des Drehtellers 52 beginnt das Material (welches zur überwiegenden Teil aus
Asche besteht und nur noch geringe Anteile an Unverbranntem aufweist) zu fließen und
fließt aus der Asche-Austragsöffnung 55 über den Rand des Drehtellers 52 der (der
nicht dargestellten) Asche-Schleuse zu. Die dargestellte Austragsvorrichtung ist natürlich
nicht die einzig mögliche: Je nach der Natur des Materials bieten sich z. B. auch
Austragsschnecken, Zellradschleusen, räumende oder schiebende Austragsvorrichtungen
- wie sie aus der mechanischen Verfahrenstechnik bekannt sind - an.
[0025] Das zur Oxidation bzw. zur Vergasung benötigte Oxidationsgas wird über einen Verteilkasten
über so genannte Lutten 54 (Gasverteilleitungen, die nach unten ausblasen, im vorliegendem
Falle in die abgeböschte Schüttung) in das rückgehaltene Material eingebracht, welches
je nach der Durchgasungs-Menge und den Korneigenschaften als Festbett vorliegt oder
fluidisiert und eine Wirbelschicht bildet. Die
Fig. 11 zeigt - als Detail der Fig. 10 - eine Lutte 54; sie besteht aus einem dachförmigen
Element und Seitenwänden und ist nach unten offen. Das Oxidationsgas wird durch die
Lutte 54 geführt und strömt nach unten in die abgeböschte Schüttung ein.
[0026] Die
Fig.12 zeigt den Grundriss bzw. die Draufsicht der Fig. 10. In dieser Ansicht ist die Ausbildung
Oxidationsgas-Versorgung genauer ersichtlich. Die Koks-Nachverbrennungzone hat beispielsweise
einen quadratischen Querschnitt und der untere Teil ist ein sich verjüngendes Übergangsstück
von einem Quadrat zu einem kreisförmigen Loch. Das zur Oxidation bzw. zur Vergasung
benötigte Oxidationsgas wird über einen horizontalen Verteilkasten 53 in z. B. 3 horizontale
Lutten 54 verzweigt und in das rückgehaltene Material eingebracht. Von besonderer
Bedeutung ist dabei die Gleichverteilung in der Schüttung selbst. In der Regel hat
das Gas die Tendenz, bevorzugt an der Wand (entlang der Auskleidung) zu strömen, der
man entgegen wirken kann, indem man einen zu wandnahen Eintritt des Oxidationsgases
vermeidet. Deswegen ist der Wandabstand der äußeren Lutten 54 größer als die Hälfte
der Querteilung der Lutten 54 im Inneren des rückgestauten Materials.
[0027] Die
Fig. 13 zeigt eine Variante - am Beispiel der Primär-Reaktionszone 20 - bei welcher die Mischeinrichtungen
hin zur Einmündung in die Reaktionszone verlegt wurden. Brennluft gelang über einen
Luft-Versorgungsraum 23a über eine ringförmige LuftEintrittsöffnung 24a direkt in
die Reaktionszone; das Rezirkulationsgas gelang über einen Rezirkulationsgas -Versorgungsraum
23b über eine kreisförmige und konzentrische Rezirkulationsgas - Eintrittsöffnung
24b ebenfalls direkt in die Reaktionszone. Die eigentliche Mischung der beiden Gasströme
erfolgt im eigenen Freistrahl 27 oder auch erst beim Auftreffen des Freistrahls auf
die Ballenoberfläche oder auch beim Auflösen des Freistrahls in der Reaktionszone.
Natürlich können auch die Gasströme vertauscht werden, sodass die Brennluft über die
kreisförmige und konzentrische Eintrittsöffnung 24b und das Rezirkulationsgas über
die ringförmige Eintrittsöffnung 24a in die Reaktionszone eingebracht werden.
1. Vorrichtung zum Verbrennen und Vergasen von ballen- oder bündelförmigen sowie pastöser
oder stichfester Brennstoffe, insbesondere Biomassen, mit wenigstens einem in eine
primäre Reaktionszone (20) mündenden Vorschubkanal (0) für den Brennstoff (1) und
gegenüber dem freien Ende des Vorschubkanals (0) angeordneten, gegen den Brennstoff
(1) gerichteten Austrittsöffnungen (26) für sauerstoffhältiges Gas, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnungen (26) wenigstens teilweise mit rezirkuliertem Rauchgas beaufschlagt
sind und unterhalb der primären Reaktionszone (20) eine Rückhaltevorrichtung (51)
zur Aufnahme des aus der primären Reaktionszone (20) herab gefallenen Brennstoffes
angeordnet ist, wobei der Rückhaltevorrichtung (51) Austrittsöffnungen für ein Oxidationsgas,
wenigstens teilweise aus rezirkuliertem Rauchgas bestehend, zugeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Vorschubkanal (0) unbeheizt oder gekühlt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorschubkanal (0) einen reversierbaren Stößel (4) aufweist.
4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einschubvorrichtung für pastöse Brennstoffe einen reversierbaren Kolben aufweist
oder auch als Stopfschnecke (5) ausgeführt ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einschubvorrichtung für pastöse und wasserreiche Brennstoffe (z. B. Klärschlämme)
als Entwässerungs- Stopfschnecke (5) ausgeführt ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsmündungen (26) für die Freistrahlen (27) jeweils zirka parallel zur
jeweiligen Stirnfläche des Brennstoffes (1) stehen.
7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsmündungen (26) für die Freistrahlen (27) Drallapparate (28) aufweisen.
8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die primäre Reaktionszone (20) ungekühlt, nur schwach gekühlt oder wärmegedämmt ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenseite der primären Reaktionszone (20) in Umfangsrichtung die Einmündung(en)
des Vorschubkanals (0) bzw. der Vorschubkanäle z.B. elliptisch oder polygonförmig
umschließt.
10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenseite der primären Reaktionszone (20) ausgemauert ist oder aus vorgehängten
hitzefesten Blechelementen (22) besteht, wobei die vorgehängten Blechelemente (22)
an der Rückseite eine Wärmedämmung oder auch einen Spalt zu einer Dichthaut (29) der
primären Reaktionszone (20) aufweisen.
11. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Koksnachverbrennungszone (40) unterhalb der primären Reaktionszone (20) angeordnet
ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Koksnachverbrennungszone eine als Drehrost ausgebildete Rückhaltevorrichtung
(51) aufweist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehrost reversierbar in der Drehrichtung antreibbar ist.
14. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehrost einen zentralen Ascheaustrag mit einer Austrittsöffnung (55) aufweist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehrost vom Umfang her mit einem schüttgutartigen Zusatzbrennstoff beschickbar
ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehrost gegenüber dem Mittel der Koksnachverbrennungszone (40) versetzt ist.
17. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gasnachverbrennungszone (60) im Sinne des Rauchgasstroms nach der Koksnachverbrennungszone
(40) angeordnet ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gasnachverbrennungszone (60) im Sinne des Rauchgasstroms nach der primären Reaktionszone
(20) angeordnet ist.
19. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine gemeinsame Gasnachverbrennungszone (60) sowohl für die Koksnachverbrennungszone
(40) als auch für die primäre Reaktionszone (20) vorgesehen ist.
20. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasnachverbrennungszone (60) vor der Vermischung mit dem Oxidationsgas Grobstaubabscheider
(61) aufweist.
21. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxidationsgas für die Reaktionszonen ein Gemisch aus dem rückgeführten Rauchgas
oder der rückgeführten Brüde eines nachgeschalteten Trocknungsprozesses und der Verbrennungsluft
ist.
22. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur in jeder Reaktionszone durch das Einstellen des Gemischverhältnisses
zwischen Rauchgas bzw. Brüde und Verbrennungsluft erfolgt.
23. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsluft für die primäre (20) und die Gasnachverbrennungs-Zone (60) vorgewärmt
wird.
24. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehrost beim Anfahren mit schüttgutartigen Brennstoffen und auch im Teillastbetrieb
eine nicht vollendete Links-Rechts-Drehung vollführt, um bereits brennendes Material
mit dem zugeführten frischen Brennstoff zusammenzuführen.