Hausfeuerungsanlage mit kontinuierlicher Feststoffverbrennung und Verfahren zu deren Betrieb

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Hausfeuerungsanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Die EP 997 965 A1 offenbart einen zur Verminderung von Schwebstoffen optimierten Brenner für ein Heizgerät, der mit einem festen Brennstoff, beispielsweise Pellets oder ähnlich vereinzelten Teilen eines festen Brennstoffs betrieben wird. Hierbei wird durch die speziell ausgestaltete Ausbildung der Brennkammer und der Zufuhr von Zuluft ein Eintrag von Schwebstoffen in die Abgase erschwert. Dabei erfolgt eine Zufuhr der Zuluft lediglich über eine Zulufteinrichtung, deren Luftzufuhr mittels eines Konvektionsgebläses um die Feuerstelle herum verteilt wird. Ein Sauerstoffsensor steuert die Luftzufuhr und stellt ein bevorzugt optimales Luft/Brennstoff- Verhältnis durch Abgleich der Brennstoffzufuhr und der Luftzufuhr ein. Durch die einzige Zufuhreinrichtung ist eine Nachverbrennung von nicht vollständig oxidierten Abgasen, beispielsweise Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe, durch eine sekundäre Zufuhreinrichtung nicht möglich. Daher erübrigt sich auch eine Messung der Verbrennungstemperatur zur Beurteilung der Konzentrationsgleichgewichte an nicht vollständig oxidierten Abgasen und von deren Reaktionskinetik. Eine Verminderung von Schadstoffen in Form von gasförmigen nicht vollständig oxidierten Abgasen und damit ein in jeder Verbrennungsphase (Zündphase, Anfahrphase, stationäre Phase) optimierter Verbrennungsprozess sind mittels dieses Brenners nicht möglich.

[0003] Aus der AT 412 903 B ist ein Verfahren zum Betrieb einer Feuerungsanlage zur Verbrennung von Brennstoffen bekannt, bei dem eine primäre und eine sekundäre Zulufteinrichtung abhängig vom Gehalt an Kohlenmonoxid, der mittels eines Kohlenmonoxid-Sensors kontinuierlich gemessen wird, und abhängig von der Temperatur geregelt wird. Dabei werden die sekundäre Zufuhr von Zuluft und die Brennstoffzufuhr abhängig vom Gehalt von Kohlenmonoxid im Abgas und der Verbrennungstemperatur geregelt. Die Verwendung eines Kohlenmonoxid-Sensors ist kosten- und wartungsaufwendig. Das Verfahren sieht keine separate Regelung im nicht stationären Betrieb der Feuerungsanlage vor, so dass insbesondere in einer Startphase keine separate Regelung erfolgt, die einen Ausstoß von Schadstoffen, insbesondere nicht vollständig oxidierten Schadstoffen, in dieser Startphase verhindert.

[0004] Weiterhin sind Feuerungsanlagen für zerkleinerte feste Brennstoffe wie Pellets, Hackschnitzel und dergleichen auf dem Markt erhältlich, die zwar über eine Nachverbrennung mittels einer sekundären Zufuhreinrichtung und einen Sensor zur Ermittlung des Restsauerstoffgehalts im Abgas aufweisen, jedoch keine beziehungsweise keine separate Regelung für die Startphase aufweisen.

[0005] Umfangreiche Untersuchungen haben jedoch ergeben, dass in der Zünd- und Anfahrphase des Verbrennungsprozesses weitaus höhere Schadgas- und Feinstaubemissionen zu verzeichnen sind als in der stationären Betriebsphase bei gleichmäßiger Brennstoffzufuhr. Dies liegt daran, dass in den erstgenannten Phasen das Luft/Brennstoffgemisch nicht fest eingestellt werden kann, um optimale Verbrennung zu erreichen. Je nach Auslegung der Heizungsanlage können jedoch mehrere Zünd- und Anfahrphasen pro Stunde auftreten. Dies bedeutet, dass der Beitrag dieser Verbrennungsphasen zur Schadstoffemission erheblich sein kann. Da jedoch die Schadstoffemissionen in diesen nicht stationären Betriebsphasen vom Gesetzgeber nicht überwacht werden, wurden bisher keine Prozessregelungsstrategien entwickelt, um die damit einhergehenden, hohen Emissionen zu verringern.

[0006] Es ergibt sich daher die Aufgabe, eine Hausfeuerungsanlage zur Verbrennung von festen, zerkleinerten Brennstoffen derart weiterzubilden, dass die Schadstoffemissionen über den gesamten Betriebsbereich der Hausfeuerungsanlage minimiert werden. Dabei soll eine derartige Hausfeuerungsanlage einfach und kostengünstig aufgebaut sein.

[0007] Die Aufgabe wird durch eine Hausfeuerungsanlage zur kontinuierlichen Verbrennung von festen, zerkleinerten Brennstoffen während unterschiedlicher Betriebsphasen, nämlich einer Zündphase, während der der Brennstoff entzündet wird, einer Anfahrphase, in der der Verbrennungsprozess stabilisiert wird und einer Betriebsphase mit einem stationären Verbrennungsbetrieb, mit einer Dosiereinrichtung zum Dosieren des Brennstoffs in einen Brennraum, einer primären Zulufteinrichtung zur Dosierung der für den Verbrennungsvorgang nötigen Zuluft, einer sekundären Zulufteinrichtung zur Nachverbrennung von nicht vollständig oxidierten Verbrennungsprodukten, einem Temperatursensor zur Erfassung der Verbrennungstemperatur und einem Sauerstoffsensor zur Erfassung des im Abgas vorhandenen Restsauerstoffs sowie einer Zündeinrichtung zur Zündung des Brennstoffs gelöst, wobei während der stationären Betriebsphase die Dosiereinrichtung abhängig von einem durch Zufuhr von Brennstoff gesteuerten Wärmebedarf und die primäre Zulufteinrichtung abhängig von der Dosierung des festen Brennstoffs und die sekundäre Zulufteinrichtung abhängig vom Restauerstoff geregelt wird und während der Zündphase die primäre Zulufteinrichtung konstant betrieben und die sekundäre Zulufteinrichtung abhängig von der Verbrennungstemperatur und abhängig vom Restsauerstoffgehalt geregelt wird. Während der Anfahrphase kann die primäre Zulufteinrichtung abhängig von der Dosierung des Brennstoffs, beispielsweise in Form eines steuer- oder regelbaren Brennstoffvolumenstroms und die sekundäre Zulufteinrichtung gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ausschließlich abhängig vom Restsauerstoffgehalt geregelt werden. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Regelung der Zulufteinrichtung zusätzlich abhängig von der Verbrennungstemperatur erfolgen, da bei geringeren Wärmeleistungen davon ausgegangen werden kann, dass die Verbrennungstemperatur entsprechend niedriger sein kann und deswegen eine Regelung notwendig werden kann, die sowohl den restsauerstoffgehalt als auch die Verbrennungstemperatur berücksichtigt.

[0008] Durch eine derartige Hausfeuerungsanlage können die Schadstoffemissionen nicht nur-wie beispielsweise von Gesetzgebern nur eingeschränkt gefordert - in der stationären Betriebsphase vermindert sondern vor allem auch in der infolge der nicht stationären Verbrennungsvorgänge für Schadstoffausstoß besonders anfälligen Zünd- beziehungsweise Anfahrphase vermindert werden, welche zusammen durchaus eine Dauer von 10-30 Minuten einnehmen können.

[0009] Als Brennstoff eignen sich alle festen, zerkleinerten Brennstoffe, beispielsweise organische Brennstoffe wie Holzpellets, Holzhackschnitzel, generell vorher zubereitete, portionierte Biomasse und dergleichen. Die Dosiereinrichtung der Hausfeuerungsanlage kann aus einer Transportschnecke, einem Förderband oder dergleichen gebildet sein. Die primäre und sekundäre Zulufteinrichtung kann beispielsweise aus jeweils einem Gebläse gebildet sein, deren Drehzahl durch eine entsprechende Regelung eingestellt und auf diese Weise die Menge an dosierter Zuluft vorgegeben wird. Weiterhin kann die separate Dosierung des primären und/oder sekundären Zuluftstroms über einen Saugzugventilator und separat steuerbare Zuluftschieber oder dergleichen erfolgen. Die primäre Zuluft erfolgt bevorzugt von unten durch einen Rost für den entzündeten Brennstoff. Die sekundäre Zuluft wird vorzugsweise so in die Nachbrennzone beispielweise mittels einer oder mehrerer Düsen eingebracht, dass eine optimale Durchmischung mit dem Abgasstrom vorliegt und kann vorgewärmt sein, um die Reduktion der Verbrennungstemperatur zu mindern. Eine Abtrennung zwischen Brennkammer und einem Nachverbrennungskammer zur Vermeidung von schädlicher Konvektion kann vorgesehen sein. Der Temperatursensor kann durch ein Thermoelement, ein Thermometer, ein Pyroelement oder dergleichen gebildet sein und erfasst in bevorzugter Weise die Verbrennungstemperatur an einem für die Regelung charakteristischen Punkt im Brennraum, bevorzugt in der Nähe der Maximaltemperatur. Mittels entsprechender empirischer Überlegungen kann dabei auf eine mittlere Verbrennungstemperatur und damit auf die Entstehung oder Einstellung eines Gleichgewichts von nicht vollständig oxidierten Schadstoffen wie beispielsweise Kohlenmonoxid, (polyzyklischen) Kohlenwasserstoffen und/oder Feinstaub im Abgas geschlossen werden. Als Sauerstoffsensor kann ein optischer oder elektrochemischer Sensor verwendet werden. Dieser Sensor wird bevorzugt am Ausgang des Abgases, beispielsweise vor der Einleitung in einen Kamin vorgesehen werden. Als Zündvorrichtung kann ein Heißluftgebläse dienen, das den auf dem Rost befindlichen Brennstoff durch Gastemperaturen über dem Flammpunkt entzündet.

[0010] Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Hausfeuerungsanlage sieht vor, die primäre Zulufteinrichtung zur Entzündung des Brennstoffs bei ausgeschalteter sekundärer Zulufteinrichtung mit konstanter Zuluft zu betreiben. Auf diese Weise kann ohne Abkühlung der Heißluft des Heizgebläses bei einer entsprechend begrenzten Zufuhr der Brennstoff schnell und sicher entzündet werden.

[0011] Nach einer Entzündung des Brennstoffs bleibt in vorteilhafter Weise die sekundäre Zulufteinrichtung solange stillgelegt, bis der Restsauerstoff einen vorgegebenen Wert, beispielsweise 18 Vol.-% unterschreitet. Dabei kann die sekundäre Zulufteinrichtung stillgelegt bleiben, bis zusätzlich die Verbrennungstemperatur einen vorgegebenen Wert von beispielsweise 400° C bis 450° C überschreitet. Wird dabei der vorgegebene Wert der Verbrennungstemperatur erstmalig überschritten, erfolgt bei Unterschreiten des vorgegebenen Werts für den Restsauerstoffgehalt eine Regelung des sekundären Zuluftstroms abhängig von der Verbrennungstemperatur und dem Gehalt an Restsauerstoff. Dabei können für Verbrennungstemperaturen über dem vorgegebenen Wert und Brenntemperaturen gleich oder unterhalb des vorgegebenen Werts unterschiedliche Regelungsfunktionen, beispielsweise mit unterschiedlichem Regelungscharakter vorgegeben werden. Beispielsweise können unterschiedliche Regler wie beispielsweise ein P-, PI-, PID-Regler verwendet werden oder die Regelparameter untereinander unterschiedlich gewichtet werden. Weiterhin können die vorgegebenen Werte zur Umschaltung der Regelung auf Basis der Vebrennungstemperatur und des Gehalts an Restsauerstoff variiert werden. Eine derartige Regelung strebt eine Minimierung der Verbrennungstemperatur-Absenkung durch Zuluft über die sekundäre Zufuhreinrichtung an, um die Bildung der genannten Schadstoffe aufgrund zu geringer Temperatur selbst bei bereits angelaufener Verbrennung soweit möglich zu vermeiden. Auf diese Weise wird der Zündvorgang zügig gestartet und unverzüglich auf eine effektive Nachverbrennung durch Zufuhr von Luft über die sekundäre Zufuhreinrichtung umgeschaltet, sobald eine Schadstoffbildung aufgrund der Bildungsbedingungen beispielsweise der Bildung von Kohlenmonoxid nach dem Boudouard-Gleichgewicht nicht mehr vernachlässigbar ist.

[0012] Ist die Zündphase abgeschlossen, wird auf die Anfahrphase umgeschaltet. Während dieser Anfahrphase wird nach einer vorteilhaften Ausführung der Hausfeuerungsanlage zumindest zu Beginn der Anfahrphase die sekundäre Zuluft auf einen minimalen Wert beschränkt. Dies bedeutet, dass die primäre Zuluft nach stabiler Entzündung des Brennstoffs abhängig von einer Dosierung des Brennstoffs, die zum Anfahren des Verbrennungsvorgangs mit steigender Rate des Brennstoffs erfolgen kann, geregelt wird, wobei eine Mindestzufuhr an sekundärer Zuluft erfolgt, um eine Grundlast von Zuluft zur Nachverbrennung von gegebenenfalls entstehenden Schadstoffen bereitzuhalten. Da in der Anfahrphase insbesondere nach einem Wiederanfahren mit bereits angebranntem Brennstoff die Verhältnisse der Verbrennung sowie die Reaktionsprodukte stark variieren, muss die Regelung der sekundären Zuluft grundsätzlich nach der Verbrennungstemperatur und nach dem Gehalt an Restsauerstoff im Abgas erfolgen. Ist die Verbrennungstemperatur allerdings hoch genug, wie dies in einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel gegeben sein kann, dann kann - wie sich überraschenderweise gezeigt hat - auf deren Berücksichtigung zur Regelung der sekundären Zuluftstromeinrichtungverzichtet werden. Eine Regelung erfolgt dabei gemmäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel während der Anfahrphase in der Weise, dass bei zunehmendem Restsauerstoffgehalt die Zuluft vermindert und bei abnehmendem Restsauerstoffgehalt erhöht wird.

[0013] Die Dauer der Zündphase und der Anfahrphase kann zeitlich begrenzt werden. Dabei können empirisch gewonnene Informationen eines Verbrennungsprozesses als Umschaltzeiten von der Zündphase in die Anfahrphase beziehungsweise von der Anfahrphase in die Betriebsphase mit stationärem Verbrennungsbetrieb herangezogen werden. In weiteren Ausführungsbeispielen können die Umschaltpunkte zwischen den einzelnen Phasen aus einer aktuell vorliegende Verbrennungssituation beispielsweise anhand der gewonnen Sensordaten für Restsauerstoff und/oder der Verbrennungstemperatur sowie Betriebsdaten der Zufuhreinrichtungen und/oder der Dosiereinrichtungen festgelegt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Dauer der Zündphase und/oder der Anfahrphase abhängig von einer Stillstandszeit der Hausfeuerungsanlage vorgebbar sein. Auf diese Weise kann beispielsweise einer Restwärme in dem Brennraum beziehungsweise der Temperatur des Brennguts entsprochen werden. Beispielsweise kann bei einer Neuinbetriebnahme der Hausfeuerungsanlage mit ausschließlich unverbranntem Brennstoff eine längere Dauer der Zünd- und/oder Anfahrphase vorgesehen werden.

[0014] In der Betriebsphase mit stationärem Verbrennungsbetrieb wird die primäre Zulufteinrichtung abhängig vom eingestellten Brennstoffvolumenstrom über die Dosiervorrichtung geregelt. Durch die auf diese Weise erzielbare stöchiometrische Verbrennung bei einer hohen, im Wesentlichen konstanten Temperatur kann auf einen Temperatureinfluss der Regelung der sekundären Zufuhreinrichtung verzichtet und lediglich eine vom Restsauerstoff abhängige Regelung vorgenommen werden, die indirekt auch unterschiedliche Brennstoffqualitäten (z.B. Porosität) berücksichtigt. Der von außen angeforderte Wärmebedarf der Hausfeuerungsaniage wie Volllast- oder Teillastbetrieb kann durch die gleichförmige Führung von Brennstoffzufuhr und Zufuhr von Luft über die primäre Zufuhreinrichtung durchgeführt werden. Ändert sich bei diesem Vorgang die Verbrennungstemperatur in Bezug auf die Schadstoffbildung und/oder das Gleichgewicht einer Schadstoffbildung, kann die sekundäre Zufuhreinrichtung abhängig von der Änderung der Verbrennungstemperatur korrigiert werden.

[0015] Der Regelvorgang beziehungsweise die Zufuhr von sekundärer oder primärer Zuluft kann beendet werden, indem die Dosiervorrichtung abgestellt und das Unterschreiten eines vorgegebenen Werts der Verbrennungstemperatur erkannt wird.

[0016] Die Regelung der vorgeschlagenen Hausfeuerungsanlage kann werkseitig oder vom Kunden parametriert werden. Hierbei kann zumindest einer von Parametern zur Darstellung einer Abhängigkeit der primären und/oder sekundären Zulufteinrichtung von der Verbrennungstemperatur, dem Restsauerstoff und/oder der Brennstoffzufuhr abhängig von einer Stillstandszeit der Hausfeuerungsanlage vorgegeben werden.

Ansprüche

1. Hausfeuerungsanlage zur kontinuierlichen Verbrennung von festen, zerkleinerten oder pellettierten Brennstoffen während unterschiedlicher Betriebsphasen, nämlich einer Zündphase, während der Brennstoff entzündet wird, einer Anfahrphase, in der der Verbrennungsprozess stabilisiert wird und einer Betriebsphase mit einem stationären Verbrennungsbetrieb, mit einer Dosiereinrichtung zum Dosieren des Brennstoffs in einen Brennraum, einer primären Zulufteinrichtung zur Dosierung der für den Verbrennungsvorgang nötigen Zuluft, einer sekundären Zulufteinrichtung zur Nachverbrennung von nicht vollständig oxidierten Verbrennungsprodukten, einem Temperatursensor zur Erfassung der Verbrennungstemperatur und einem Sauerstoffsensor zur Erfassung des im Abgas vorhandenen Restsauerstoffgehalts sowie einer Zündeinrichtung zur Zündung des Brennstoffs, wobei während der Betriebsphase mit stationärem Verbrennungsbetrieb die Dosiereinrichtung abhängig vom Wärmebedarf und die primäre Zulufteinrichtung abhängig vom Brennstoffvolumenstrom und die sekundäre Zulufteinrichtung abhängig vom Restsauerstoffgehalt und gegebenenfalls von der Verbrennungstemperatur geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass während der Zündphase die primäre Zulufteinrichtung konstant betrieben und die sekundäre Zulufteinrichtung abhängig von der Verbrennungstemperatur und abhängig vom Restsauerstoffgehalt betrieben wird und während der Anfahrphase die primäre Zulufteinrichtung abhängig von der Dosierung von Brennstoff und die sekundäre Zulufteinrichtung abhängig vom Restsauerstoffgehalt geregelt wird.

2. Hausfeuerungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die primäre Zulufteinrichtung während der Anfahrphase zusätzlich abhängig von der Verbrennungstemperatur geregelt wird.

3. Hausfeuerungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die primäre Zulufteinrichtung während der Zündphase mit einem konstanter Zuluftstrom betrieben wird.

4. Hausfeuerungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundäre Zulufteinrichtung solange stillgelegt bleibt, bis der Restsauerstoffgehalt im Abgas einen vorgegebenen Wert unterschreitet oder die Verbrennungstemperatur einen vorgegebenen Wert erstmals überschreitet.

5. Hausfeuerungsanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei erstmaligem Überschreiten der Verbrennungstemperatur über den vorgegebenen Wert die sekundäre Zulufteinrichtung eines weiteren, über dem ersten Wert liegenden nach einer Funktion geregelt wird, wobei der sekundäre Zuluftstrom abhängig von der Verbrennungstemperatur und dem Restsauerstoffgehalt ist.

6. Hausfeuerungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass während der Anfahrphase die sekundäre Zuluft zumindest auf einen minimalen Wert beschränkt wird.

7. Hausfeuerungsanlage nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der stationären Betriebsphase der sekundäre Zuluftstrom in Abhängigkeit vom Restsauerstoffgehalt im Abgas und von der Verbrennungstemperatur geregelt wird.

8. Hausfeuerungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsphase durch Unterschreiten eines vorgegebenen Werts der Verbrennungstemperatur beendet wird.

9. Hausfeuerungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Parameter zur Darstellung einer Abhängigkeit der primären und/oder sekundären Zulufteinrichtung von der Verbrennungstemperatur, dem Restsauerstoffgehalt und/oder der Brennstoffvolumenstrom abhängig von einer Stillstandszeit der Hausfeuerungsanlage vorgegeben wird.