Feuerung für die verbrennung von feststoffen

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Feuerung mit zumindest einem Brenner (4a, 4b) für die Verbrennung von Feststoffen, insbesondere Pellets, mit zumindest einer Primärluftzufuhr und zumindest einer Sekundärluftzufuhr (7a, 7b; 8), wobei die Feuerung (1) mit mindestens zwei getrennten Verbrennungszonen (11, 12), und zwar zumindest einer ersten Verbrennungszone (11) für den Festbrennstoff und zumindest einer zweiten Verbrennungszone (12) für den vergasten Festbrennstoff ausgebildet ist, wobei die erste Verbrennungszone (11) in einem im Wesentlichen rohrförmigen Vergaserteil (3) und die zweite Verbrennungszone (12) in einem zumindest einen Brenner (4a, 4b) aufweisenden Brennerteil (4) angeordnet ist. Um mit geringem Aufwand die Stickoxidemissionen und Staubemissionen zu verringern ist vorgesehen, dass die zweite Verbrennungszone (12) zumindest überwiegend höher angeordnet ist, als die erste Verbrennungszone (11), wobei vorzugsweise der Brennerteil (4) zumindest überwiegend höher als der Vergaserteil (3) angeordnet ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Feuerung mit zumindest einem Brenner für die Verbrennung von Feststoffen, insbesondere Pellets, mit zumindest einer Primärluftzufuhr und zumindest einer Sekundärluftzufuhr, wobei die Feuerung mit mindestens zwei getrennten Verbrennungszonen, und zwar zumindest einer ersten Verbrennungszone für den Festbrennstoff und zumindest einer zweiten Verbrennungszone für den vergasten Festbrennstoff ausgebildet ist, wobei die erste Verbrennungszone in einem im Wesentlichen rohrförmigen Vergaserteil und die zweite Verbrennungszone in einem zumindest einen Brenner aufweisenden Brennerteil angeordnet ist.

[0002] Konventionelle Feuerungen für die Verbrennung von Feststoffen setzen - im Gegensatz zu mit flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen betriebenen Feuerungen - relativ hohe NOx- und Staubemissionen frei, wodurch ähnlich niedrige Emissionen nicht oder nur mit aufwendigen Abgasnachbehandlungseinrichtungen erfüllt werden können.

[0003] Allgemein bekannt und vielfältig in der Praxis eingesetzt sind Feuerungen für feste Brennstoffe, bei denen die Verbrennungsluft in zwei räumlich getrennten Bereichen zugeführt wird, um die Verbrennungsqualität zu optimieren. Holzvergaserkessel für Scheitholzfeuerungen zum Beispiel werden einmalig mit Brennstoff beschickt, verbrennen diesen Brennstoff unter Zufuhr einer ersten Luftmenge unvollständig in einer Glutzone im Bodenbereich - wobei der beschickte Brennstoff durch die Schwerkraft nach unten in diese Glutzone nachrutscht - und nachfolgend werden die unvollständig verbrannten Gase direkt aus der primären Glutzone in eine Nachverbrennungszone unterhalb oder im Seitenbereich zur vollständigen Verbrennung weitergeleitet, wobei hier die zweite Luftzufuhr erfolgt.

[0004] Die EP 2 077 311 beschreibt eine Einrichtung zur Vergasung von Biomasse, wobei die Vergasung durch die bei der Verbrennung von Biomasse frei werdende Wärme ohne direkte Verbindung von Wärmequelle zum Vergasungsmaterial erfolgt.

[0005] Aus der WO 2006/117579 A1 ist es bekannt, die Vergasung und Verbrennung von Pellets in der Brennkammer eines Heizkessels durchzuführen, wobei die Luftmenge, die Gasmenge und die Dicke des Pelletsbettes so geregelt werden, dass die sich einstellende Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes der produzierten Asche verbleibt. Das Glutbett (in variabler Höhe) ist jedoch in direktem Kontakt mit der Brennkammer, was erfahrungsgemäß mit hohen Staubemissionen verbunden ist.

[0006] Weiters sind kombinierte Heizungs- und Vergaserkessel ("Halbvergaser") aus den Veröffentlichungen CN 201043760 Y und CN 101059248 A bekannt, die aber beide den Vergasungsprozess nur unvollständig bzw. nicht mit nötigem räumlichen Abstand durchführen können.

[0007] Aus der Internetseite www.pyro-man.net ist es weiters bekannt, Pellets-Brennstoff zu vergasen und die Verbrennungsgase zu einem Brenner zu leiten. Sind Vergaserteil und Brennerteil räumlich relativ weit beabstandet, so hat dies den Nachteil, dass die Verbindungsleitung zwischen Vergaserteil und Brennerteil durch niedrige Temperaturen zu Verteerungen neigt.

[0008] Die US 5,678,494 A1 offenbart eine Feuerung für Biomasse, welche eine erste Verbrennungszone für den Festbrennstoff und eine zweite Verbrennungszone für den vergasten Festbrennstoff aufweist, wobei die erste Verbrennungszone einen im Wesentlichen rohrförmigen Vergaserteil aufweist. Die zweite Verbrennungszone ist dabei seitlich der ersten Verbrennungszone angeordnet.

[0009] Eine ähnliche Feuerung ist aus der US 4,463,687 A bekannt. Auch hier befindet sich eine zweite Verbrennungszone seitlich einer ersten Verbrennungszone.

[0010] Weitere Feuerungen mit Brenner für die Verbrennung von Feststoffen sind aus den Druckschriften DE 198 50 376 A1, DE 39 22 060 A1 und DE 203 21 670 U1 bekannt.

[0011] Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Feuerung der eingangs genannten Art auf möglichst einfache Weise die NOx- und Staubemissionen zu verringern.

[0012] Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass , die zweite Verbrennungszone zumindest überwiegend höher angeordnet ist, als die erste Verbrennungszone, wobei vorzugsweise der Brennerteil zumindest überwiegend höher als der Vergaserteil angeordnet ist.

[0013] Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Brennerteil in einem der ersten Verbrennungszone des Vergaserteiles abgewandten Bereich an den Vergaserteil angeschlossen ist.

[0014] Besonders vorteilhaft ist es, wenn in einem der ersten Verbrennnungszone abgewandten Beschickungsabschnitt des Vergaserteiles eine Beschickungseinrichtung für Heizmaterial einmündet, wobei vorzugsweise der Beschickungsabschnitt in einer oberen Hälfte, besonders vorzugsweise in einem oberen Drittel des Vergaserteiles angeordnet ist. Eine Beschickungsöffnung der Beschickungseinrichtung kann dabei im Mantelbereich des Vergaserteiles etwa im Bereich einer maximalen Füllhöhe des Heizmaterials angeordnet sein.

[0015] Besonders geringe Emissionen können erreicht werden, wenn der Brennerteil im Bereich des Beschickungsabschnittes und/oder in einer oberen Hälfte, vorzugsweise in einem oberen Drittel des Vergaserteiles an den Vergaserteil angeschlossen ist.

[0016] Eine besonders gute Verringerung der NOx- und Staubemissionen lässt sich erzielen, wenn der Brennerteil auf den Vergaserteil aufgesetzt ist.

[0017] Die beschriebenen Maßnahmen bewirken, dass die im ersten Berbrennungsteil entstehenden Produktgase und die freigesetzte Wärme den unverbrannten Teil im Vergaserteil entgegen der Materialflussrichtung des Heizmateriales durchströmen müssen, um zur zweiten Verbrennungszone zu gelangen.

[0018] Die Höhe des Vergaserteiles kann dabei im kleinen Leistungsbereich (<= 30kW) mindestens den doppelten Durchmesser des Vergaserteiles betragen, vorzugsweise beträgt der Durchmesser des Vergaserteiles mindestens 100 mm.

[0019] Die Höhe des Vergaserteiles kann dabei im mittleren Leistungsbereich (> 30kW bis <= 100kW) mindestens den ein-einhalb-fachen Durchmesser des Vergaserteiles betragen, vorzugsweise beträgt der Durchmesser des Vergaserteiles bei dieser Leistung mindestens 125 mm.

[0020] Die Höhe des Vergaserteiles kann dabei im hohen Leistungsbereich (> 100kW) mindestens den einfachen Durchmesser des Vergaserteiles betragen, vorzugsweise beträgt der Durchmesser des Vergaserteiles bei dieser Leistung mindestens 150 mm.

[0021] Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, die zweite Verbrennungszone des Brennerteiles für die Verbrennung des vergasten Festbrennstoffes zwischen 50 mm bis 1.000 mm über der maximalen Füllhöhe des Festbrennstoffes in Richtung der Verbrennungsgase senkrecht, schräg oder seitwärts des Brennstoffbettes, vorzugsweise senkrecht über dem Brennstoffbett, angeordnet ist. Die Entfernung ist abhängig von der Art des Brennstoffes (Material, Wassergehalt, Stückgröße, etc.) und vom Leistungsbereich der Feuerung. Für Holzpellets im Leistungsbereich von 5 kW - 20 kW liegt er beispielsweise im Bereich von vorzugsweise 80 mm - 300 mm.

[0022] Brennerteil und Vergaserteil können achsgleich oder axial versetzt übereinander angeordnet sein.

[0023] Der Bereich zwischen Brennstoffbett und Verbrennungszone ist durch direkte oder indirekte Energiezufuhr durch die Primär- und die Sekundärverbrennungszone beheizt, wobei die Temperaturen im stationären Betrieb mit höchster und niedrigster Leistung zwischen 200°C und 500°C liegen.

[0024] Die Vergasung erfolgt hauptsächlich durch die in der Primärverbrennungszone erzeugte Energie, jedoch auch durch die direkte oder indirekte Verbrennungswärme im auf den Vergaserteil aufgesetzten Brennerteil.

[0025] Im Bodenbereich des Vergaserteiles ist zumindest eine Primärluftzufuhr vorgesehen. Weiters ist vorgesehen, dass der Brennerteil im Bereich der zweiten Verbrennungszone zumindest eine seitliche Sekundärluftzufuhr aufweist.

[0026] Eine weitere Luftzufuhr kann im Bereich des Mantels des Vergaserteiles und/oder oberhalb der Sekundärluftzufuhr angeordnet sein.

[0027] Im Bodenbereich des Vergaserteils ist eine Ascheentsorgungseinrichtung angeordnet.

[0028] Der Brennstoff wird im Gegenstromprinzip in den Mantelteil eingebracht, wobei in Folge der bei der unterstöchiometrischen Verbrennung durch die von unten zugeführte Primärluft in der unteren Hälfte des Vergaserteiles entstehenden Wärme eine Vergasung des im oberen Drittel zugeführten Brennstoffes oberhalb der Primärverbrennungszone, aber unterhalb des Brennstoffbettoberfläche stattfindet. Zwischen der Primärverbrennungszone und der Vergasungszone befindet sich ein Übergangsbereich, in dem keine wesentlichen chemischen oder physikalischen Reaktionen stattfinden. Das Brennstoffgas wird anschließend im Brennerteil unter Zufuhr von Sekundärluft stöchiometrisch oder überstöchiometrisch verbrannt, wobei besonders geringe Staub- und NOx-Emissionen freigesetzt werden.

[0029] Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

eine erfindungsgemäße Feuerung im kleinen Leistungsbereich eingebaut in einem Kessel zur Verwendung als Heizanlage in einer Schrägansicht in einer ersten Ausführungsvariante;

Fig. 2

die Feuerung in einer ersten Seitenansicht;

Fig. 3

die Feuerung in einer zweiten Seitenansicht;

Fig. 4

die Feuerung in einem Schnitt gemäß der Linie IV-IV in Fig. 2;

Fig. 5

die Feuerung in einem Schnitt gemäß der Linie V-V in Fig. 2;

Fig. 6

eine erfindungsgemäße Feuerung in einer zweiten Ausführungs-variante in einem Schnitt gemäß der Linie VI-VI in Fig. 7;

Fig. 7

diese Feuerung in einer Vorderansicht;

Fig. 8

diese Feuerung in einer Seitenansicht; und

Fig. 9

diese Feuerung in einem Schnitt gemäß der Line IX-IX in Fig. 6.

[0030] Funktionsgleiche Teile sind in den Ausführungsvarianten mit gleichen Bezugszeichen versehen.

[0031] Die in den Fig. 1 bis Fig. 5 dargestellte nach dem Prinzip einer Gegenstromvergasung ausgebildete Feuerung 1 weist einen Kesselkörper 2 mit einem Vergaserteil 3 und einem Brennerteil 4 auf, wobei der Brennerteil 4 auf den im Wesentlichen rohrförmigen Vergaserteil 3 aufgesetzt ist. Der Brennerteil 4 kann einen oder zwei Brenner 4a, 4b aufweisen.

[0032] Die Höhe H_v des Vergaserteils 3 ist mindestens doppelt so groß wie der innere Durchmesser D_v des Vergaserteils 3. Der innere Durchmesser D_B des Brennerteiles 4 beträgt im Ausführungsbeispiel etwa den inneren Durchmesser D_v des Vergaserteiles 3, kann aber beispielsweise auch deutlich größer oder kleiner sein, angepasst an die jeweilige Leistung oder an den jeweiligen Festbrennstoff.

[0033] Der Vergaserteil 3 weist eine erste Verbrennungszone 11 (Primärverbrennungszone) für den Festbrennstoff auf, wobei im unteren Drittel des Vergaserteiles 3 eine Primärluftzufuhr 6 sowie eine Ascheentsorgungseinrichtung 5 im Bodenbereich angeordnet ist. Eine zweite Verbrennungszone 12 (Sekundärverbrennungszone) für vergaste Festbrennstoffe ist im Brennerteil 4 angeordnet, wobei der Brennerteil 4 mit einem oder zwei Brennern 4a, 4b ausgestattet ist. Jeder Brenner 4a, 4b weist eine seitliche erste Sekundärluftzufuhr 7a, 7b auf, die durch die Brennkammerwand in die zweite Verbrennungszone 12 für den vergasten Festbrennstoff geleitet werden. Eventuell kann auch im Bereich des Mantels 3a des Vergaserteiles 3 eine weitere Sekundärluftzufuhr 8 vorgesehen sein.

[0034] Im oberen Bereich des Vergaserteiles 3 mündet in einem Beschickungsabschnitt 30 eine Beschickungseinrichtung 9 über eine Beschickungsöffnung 9a ein, wobei die Beschickungseinrichtung 9 Festbrennstoff aus einem nicht weiterdargestellten Behälter in den Vergaserteil 3 bis zu einer maximalen Füllhöhe h fördert.

[0035] Besonders niedrige NOx- und Staubemissionen lassen sich erzielen, wenn der Abstand α zwischen der maximalen Füllhöhe h und der Verbrennungszone 11 für den vergasten Festbrennstoff zwischen etwa 50 mm bis 1.000 mm beträgt. Der Abstand α wird dabei gemessen zwischen der maximalen Füllhöhe h und der Mittellinie 7' der Sekundärluftzufuhr 7a des an den Vergaserteil 3 anschließenden Brenners 4a.

[0036] Der beispielsweise durch Brennstoffpellets gebildete Festbrennstoff wird zum Beispiel mit einer nicht weiter ersichtlichen Stokerschnecke über die Beschickungseinrichtung 9 in den Vergaserteil 3 bis zur maximalen Füllhöhe h eingebracht. Im Vergaserteil 3 wird der Festbrennstoff durch vorzugsweise in der ersten Verbrennungszone 11 für den Festbrennstoff entstehende Wärme vergast, wobei im unteren Bereich des Vergaserteiles 3, also beispielsweise 5 cm über dem Boden des Vergaserteiles 3, sich eine Luftzahl λ von etwa 0,3 einstellt. Die bei der Zersetzung des Brennstoffes anfallende Asche wird durch die Ascheentsorgungseinrichtung 5 entfernt.

[0037] Die bei der Vergasung entstechenden Brennstoffgase werden im Brenner 4a des Brennerteiles 4 unter Zufuhr von Sekundärluft verbrannt, wobei dem ersten Brenner 4a ein zweiter Brenner 4b nachgeschaltet werden kann. Die nur geringe Mengen an Stickoxiden und Staub enthaltenden Abgase werden in weiterer Folge entsprechend energetisch genutzt. In dem vorliegenden Beispiel werden die Abgase in bekannter Weise über nicht weiter im Detail dargestellte Wärmetauscher in einen Kesselkörper 2 geleitet.

[0038] Bei der in den Fig. 1 bis Fig. 5 dargestellten Feuerung sind Brennerteil 4 und Vergaserteil 3 achsgleich übereinander angeordnet.

[0039] Die Fig. 6 bis Fig. 9 zeigen eine weitere Ausführungsvariante einer Feuerung, bei der Brennerteil 4 und Vergaserteil 3 axial versetzt übereinander angeordnet sind.

Ansprüche

1. Feuerung mit zumindest einem Brenner (4a, 4b) für die Verbrennung von Feststoffen, insbesondere Pellets, mit zumindest einer Primärluftzufuhr und zumindest einer Sekundärluftzufuhr (7a, 7b; 8), wobei die Feuerung (1) mit mindestens zwei getrennten Verbrennungszonen (11, 12), und zwar zumindest einer ersten Verbrennungszone (11) für den Festbrennstoff und zumindest einer zweiten Verbrennungszone (12) für den vergasten Festbrennstoff ausgebildet ist, wobei die erste Verbrennungszone (11) in einem im Wesentlichen rohrförmigen Vergaserteil (3) und die zweite Verbrennungszone (12) in einem zumindest einen Brenner (4a, 4b) aufweisenden Brennerteil (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Verbrennungszone (12) zumindest überwiegend höher angeordnet ist, als die erste Verbrennungszone (11), wobei vorzugsweise der Brennerteil (4) zumindest überwiegend höher als der Vergaserteil (3) angeordnet ist.

2. Feuerung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerteil (4) in einem der ersten Verbrennungszone (11) des Vergaserteiles (3) abgewandten Bereich an den Vergaserteil (3) angeschlossen ist.

3. Feuerung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem der ersten Verbrennnungszone (11) abgewandten Beschickungsabschnitt (30) des Vergaserteiles (3) eine Beschickungseinrichtung (9) für Heizmaterial einmündet, wobei vorzugsweise der Beschickungsabschnitt (30) in einer oberen Hälfte, besonders vorzugsweise in einem oberen Drittel des Vergaserteiles (3) angeordnet ist, wobei vorzugsweise eine Beschickungsöffnung (9a) der Beschickungseinrichtung (9) im Mantelbereich (3a) des Vergaserteiles (3) etwa im Bereich einer maximalen Füllhöhe (h) des Heizmaterials angeordnet ist.

4. Feuerung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerteil (4) in einer oberen Hälfte, vorzugsweise in einem oberen Drittel des Vergaserteiles (3) an den Vergaserteil (3) angeschlossen ist.

5. Feuerung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerteil (4) im Bereich des Beschickungsabschnittes (9a) des Vergaserteiles (3) an den Vergaserteil (3) angeschlossen ist.

6. Feuerung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerteil (4) auf den Vergaserteil (3) aufgesetzt ist.

7. Feuerung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Verbrennungszone (12) zwischen 50 mm bis 1.000 mm über der maximalen Füllhöhe (h) des Festbrennstoffes im Vergaserteil (3) angeordnet ist.

8. Feuerung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (H_v) des Vergaserteiles (3) mindestens den einfachen, vorzugsweise mindestens den doppelten inneren Durchmesser (D_v) des Vergaserteiles (3) beträgt, wobei vorzugsweise der innere Durchmesser (D_v) des Vergaserteiles (3) mindestens 100 mm beträgt.

9. Feuerung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergaserteil (3) in einem bodennahen Drittel zumindest eine Primärluftzufuhr (6) aufweist.

10. Feuerung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerteil (4) im Bereich der zweiten Verbrennungszone (12) zumindest eine seitliche erste Sekundärluftzufuhr (7a, 7b) aufweist.

11. Feuerung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergaserteil (3) in seinem Mantelbereich (3a) zumindest eine weitere Sekundärluftzufuhr (8) aufweist.

12. Feuerung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Bodenbereich des Vergaserteils (3) eine Ascheentsorgungseinrichtung (6) angeordnet ist.

13. Feuerung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Feuerungsleistung alleine durch eine exakte Regelung der Primärluft einstellbar ist, wobei vorzugsweise die Temperatur im Bereich zwischen Brennstoffbett-Oberkante und Verbrennungszone zwischen etwa 200°C und 500°C beträgt.

14. Feuerung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Brennerteil (4) und Vergaserteil (3) im Wesentlichen achsgleich, vorzugsweise übereinander, angeordnet sind.

15. Feuerung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Brennerteil (4) und Vergaserteil (3) axial versetzt, vorzugsweise übereinander, angeordnet sind.

Zeichnung