VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR VERFEUERUNG BRENNBARER GASE

Abstract

 Offenbart wird eine Vorrichtung zur Verfeuerung brennbarer Gase. Die Vorrichtung umfasst eine von einer Brennkammerwand begrenzte Brennkammer und einen Brenner, welcher in einer Aussparung der Brennkammerwand angeordnet ist. Der Brenner ist als Parallelstrombrenner ausgebildet und eine Gaseinströmungsöffnung des Brenners ist tangential gegen die Brennkammerwand gerichtet.

Beschreibung

GEBIET

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Verfeuerung brennbarer Gase zur Wärmegewinnung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkammer zur Verfeuerung von mittels Biomassevergasung gewonnener brennbarer Gase zur Versorgung einer Wärmekraftmaschine mit Wärmeenergie.

HINTERGRUND

[0002] Ein Gasstrom und insbesondere ein mittels Vergasung von Biomasse erzeugter Gasstrom kann Stoffe und Stoffverbindungen mit sich führen, die nach dem Verfeuern der brennbaren Gase als Rückstände zurückbleiben und sich auf Anlagenelementen ablagern. Durch die Rückstände kann sich jedoch die Effizienz von Wärmeübertragungselementen, die in der Brennkammer oder in einem sich an die Brennkammer anschließenden Kanal zur Abführung der bei der Verbrennung erzeugten Heißgase vorgesehenen sind, verringern. Ferner können durch aggressive Ablagerungen auf Anlagenelementen Korrosionsschäden hervorgerufen werden.

[0003] Wünschenswert sind somit Vorrichtungen und Verfahren zur Verfeuerung brennbarer Gase, die die Menge von nach dem Verfeuern der brennbaren Gase zurückbleibenden Rückständen reduzieren und zudem möglichst unempfindlich gegen die Ablagerung von Rückständen sind. Ferner sind Vorrichtungen und Verfahren zur Verfeuerung brennbarer Gase allgemein dann vorteilhaft, wenn sie eine hohe Effizienz aufweisen.

ZUSAMMENFASSUNG

[0004] Zumindest einige dieser vorteilhaften (Prozess-) Eigenschaften werden durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verfeuerung brennbarer Gase, ein erfindungsgemäßes System und ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Verfeuerung brennbarer Gase erzielt.

[0005] Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verfeuerung brennbarer Gase umfasst eine von einer Brennkammerwand begrenzte Brennkammer und einen Brenner, welcher in einer Aussparung der Brennkammerwand angeordnet ist, wobei der Brenner als Parallelstrombrenner ausgebildet ist und eine Gaseinströmungsöffnung des Brenners tangential gegen die Brennkammerwand gerichtet ist.

[0006] Dabei wird im Sinne der vorliegenden Erfindung unter dem Begriff "Parallelstrombrenner" insbesondere ein solcher Brenner verstanden, bei dem brennbare Gase und Sauerstoff (bzw. Sauerstoff enthaltende Gasgemische wie bspw. Luft) parallel zueinander in die Brennkammer geführt werden, wobei die Mischung der brennbaren Gase und des Sauerstoffs in der Brennkammer erfolgt. Ferner wird im Sinne der vorliegenden Erfindung unter dem Begriff "Gaseinströmungsöffnung" insbesondere ein Auslass einer Gaszuführungsleitung verstanden, durch die brennbare Gase in die Brennkammer geleitet werden. Am Auslass der Gaszuführungsleitung kann bei ausreichender Strömungsgeschwindigkeit durch geeignete konstruktive Mittel, bspw. durch in die Gasströmung hineinragende Ablenkplatten, eine turbulente Gasströmung erzeugt werden, die für eine beschleunigte Durchmischung der brennbaren Gase und des Sauerstoffs und zudem für eine verbesserte Wärmeübertragung sorgt.

[0007] Des Weiteren wird im Sinne der vorliegenden Erfindung unter der Formulierung "tangential gegen die Brennkammerwand gerichtet" eine solche Ausrichtung der Gaseinströmungsöffnung verstanden, bei der eine mittlere Strömungsrichtung der durch die Gaseinströmungsöffnung in die Brennkammer geleiteten Gasströmung nicht auf die Mitte der Brennkammer gerichtet ist oder in einer Symmetrieebene der Brennkammer liegt. Vielmehr wird im Sinne der vorliegenden Erfindung unter der Formulierung "tangential gegen die Brennkammerwand gerichtet" insbesondere eine solche Ausrichtung der Gaseinströmungsöffnung verstanden, die von der Mitte der Brennkammer weggeneigt ist bzw. mit einer Symmetrieebene der Brennkammer, welche bspw. durch die Mitte der Aussparung verläuft, einen Winkel einschließt, der größer als 15°, größer als 30° oder größer als 45° ist. Die tangentiale Ausrichtung der Gaseinströmungsöffnung gegen die Brennkammerwand, bzw. auf einen Bereich auf der Innenseite der Brennkammerwand, erzeugt somit eine Ablenkung der turbulenten Gasströmung entlang der Innenkontur der Brennkammerwand. Bspw. erzeugt die tangentiale Ausrichtung der Gaseinströmungsöffnung gegen einen Wandbereich eines rotationssymmetrischen Brennkammerabschnitts eine Drehbewegungskomponente der turbulenten Gasströmung um die Symmetrieachse.

[0008] Vorzugsweise weist die Brennkammerwand einen zylindrischen oder kegelstumpfförmigen Abschnitt auf, in dessen Zentrum sich ein Wärmeübertragungselement in axialer Richtung erstreckt.

[0009] Durch die tangentiale Ausrichtung der Gaseinströmungsöffnung wird dabei eine turbulente Gasströmung erzeugt, die nicht direkt auf das Wärmeübertragungselement gerichtet ist, sondern das Wärmeübertragungselement entlang einer sich um das Wärmeübertragungselement windenden Bahn umströmt. Dadurch kann die Brennkammerwand großflächig so stark erwärmt werden, dass ein erheblicher Teil der Wärme durch Strahlung von der Brennkammerwand auf das Wärmeübertragungselement übertragen wird. Somit kann das Wärmeübertragungselement gleichmäßiger mit Wärme beaufschlagt werden (als bei einer direkt auf das Wärmeübertragungselement gerichteten Gaseinströmungsöffnung) und es können des Weiteren materialermüdungsindizierte Schäden reduziert werden. Ferner werden Ablagerungen auf dem Wärmeübertragungselement und das Auftreten von Hochtemperaturkorrosion reduziert, da die Flamme nicht auf das Wärmeübertragungselement sondern auf die Brennkammerwand konzentriert wird. Zudem werden durch die aus der Drehbewegungskomponente resultierende Zentrifugalkraft Stoffe und Stoffverbindungen, die die bei der Verfeuerung entstehenden Heißgase mit sich führen, in Richtung der Brennkammerwand transportiert, was die Menge an Ablagerungen auf dem Wärmeübertragungselement weiter reduziert

[0010] Vorzugsweise weist das Wärmeübertragungselement einen zylindrischen oder kegelstumpfförmigen Grundkörper auf, der mit einer Reihe sich in radialer Richtung erstreckender und in axialer Richtung voneinander beanstandeter Rippen, oder mit einer sich spiralförmig um den Grundkörper windenden Rippe versehen ist.

[0011] Durch das Vorsehen einer oder mehrerer Rippen kann die Oberfläche und damit die Wärmeübertragungsfähigkeit des Wärmeübertragungselements vergrößert werden. Ferner kann durch die Anordnung und Form der Rippe(n) der Gasströmungspfad und/oder die Durchmischung bzw. die Ausdehnung der turbulenten Gasströmung kontrolliert bzw. an verschiedene Prozesse angepasst werden.

[0012] Vorzugsweise weist die Vorrichtung eine zweite Aussparung auf, die von der Aussparung in axialer Richtung beabstandet ist, wobei die zweite Aussparung zur Abführung von Heißgasen, die im Betrieb durch eine in der Brennkammer erfolgte Verfeuerung der brennbaren Gase erzeugt werden, eingerichtet und vorgesehen ist.

[0013] Durch die in axialer Richtung beabstandete zweite Aussparung zur Abführung der Heißgase wird erreicht, dass der Gasstrom spiralförmig um das Wärmeübertragungselement geführt wird, wodurch dieses noch gleichmäßiger über eine gesamte (axiale) Länge des Wärmeübertragungselements mit Wärme beaufschlagt werden kann.

[0014] Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Wärmekraftmaschine, die an das Wärmeübertragungselement gekoppelt ist.

[0015] Durch Reduktion der Menge an Ablagerungen und die gleichmäßige Beaufschlagung des Wärmeübertragungselements mit Wärme kann ein gleichbleibend effizienter und wartungsarmer Betrieb der Wärmekraftmaschine erreicht werden.

[0016] Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Steuerung, die dazu eingerichtet ist, eine Gasströmung durch die Gaseinströmungsöffnung zu steuern, wobei sich die einströmenden Gase auf einer spiralförmigen Bahn um das Wärmeübertragungselement bewegen.

[0017] Die Steuerung erlaubt es dabei, durch Erhöhen oder Reduzieren der Geschwindigkeit der einströmenden Gasströmung, die Turbulenz und Verweildauer der brennbaren Gase in der Brennkammer zu kontrollieren und damit den Grad der Vermischung der Gase und die Effizienz der Wärmeübertragung zu steuern.

[0018] Vorzugsweise ist die Brennkammerwand zumindest teilweise mit einem Feuerfestmaterial, besonders vorzugsweise mit keramischem Material oder einer Schamotte ausgekleidet.

[0019] Die Auskleidung der Brennkammerwand kann bspw. durch Kacheln mit zwischen den Kacheln vorgesehener Dehnungsfuge erfolgen, wobei die Kacheln auf der Innenseite mit Keramik und auf der Außenseite zusätzlich mit einer (nicht-keramischen) Wärmeisolierung versehen sind. Dadurch kann erreicht werden, dass wärmeinduzierte Materialermüdungsschäden an der Brennkammerwand vermieden werden und ein Großteil der an die Brennkammerwand übertragenen Wärme nicht nach außen sondern als Strahlungswärme an das Wärmeübertragungselement übertragen wird. Zudem können Korrosionsschäden vermieden oder zumindest reduziert werden.

[0020] Das erfindungsgemäße System umfasst die Vorrichtung zur Verfeuerung brennbarer Gase und eine im Gegenstromverfahren betreibbare Biomassevergasungsvorrichtung, wobei der Brenner an die im Gegenstromverfahren betreibbare Biomassevergasungsvorrichtung angeschlossen ist.

[0021] Durch die Robustheit der Brennkammer kann dabei ein mittels Vergasung von Biomasse im Gegenstromverfahren erzeugter Gasstrom ohne zusätzliche Filterung oder Reinigung verfeuert werden, wodurch der Einsatz fossiler Energieträger verringert bzw. durch nachwachsende Rohstoffe ersetzt werden kann, ohne den Wartungsaufwand hinsichtlich der Brennkammer wesentlich zu erhöhen.

[0022] Das erfindungsgemäße Verfahren zur Verfeuerung brennbarer Gase umfasst ein Einströmen der brennbaren Gase in eine Brennkammer durch eine Gaseinströmungsöffnung, ein Verfeuern der brennbaren Gase, und ein Abführen von bei der Verfeuerung entstehenden Heißgasen aus der Brennkammer, wobei eine Wand der Brennkammer zumindest teilweise mit einem Feuerfestmaterial ausgekleidet ist und die brennbaren Gase von der Gaseinströmungsöffnung entlang einer Spiralbahn durch die Brennkammer geführt werden.

[0023] Das Führen der brennbaren Gase von der Gaseinströmungsöffnung entlang einer Spiralbahn durch die Brennkammer ermöglicht dabei eine erhöhte Verweilzeit der brennbaren Gase in der Brennkammer und unterstützt somit einen möglichst vollständigen Abbrand der brennbaren Gase in der Brennkammer. Durch das Vorsehen einer Auskleidung mit Feuerfestmaterial wird eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen hohe Temperaturen und Temperaturschwankungen und im Falle einer keramischen Auskleidung oder einer Auskleidung mit einer Schamotte zudem eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen ablagerungsinduzierte Korrosion sowie im Falle einer keramischen Auskleidung eine gute thermische Isolation der Brennkammer erreicht.

[0024] Vorzugsweise weist die Brennkammerwand einen zylindrischen oder kegelstumpfförmigen Abschnitt auf, in dessen Zentrum sich ein Wärmeübertragungselement in axialer Richtung erstreckt.

[0025] Die durch die Verfeuerung erzeugten Heißgase bewegen sich somit spiralförmig um das Wärmeübertragungselement. Dadurch wird die Brennkammerwand großflächig auf Temperaturen erwärmt, bei denen ein erheblicher Teil der Wärme durch Strahlung von der Brennkammerwand auf das Wärmeübertragungselement übertragen wird, wodurch das Wärmeübertragungselement gleichmäßig mit Wärme beaufschlagt wird. Zudem werden die bei der Verfeuerung entstehenden Rückstände durch die Zentrifugalkraft der Bewegung vom Wärmeübertragungselement weg, in Richtung der feuerfest bzw. keramisch oder mit einer Schamotte ausgekleideten Brennkammerwand beschleunigt, wodurch die Menge an Ablagerungen auf dem Wärmeübertragungselement reduziert und die Wärmeleitfähigkeit der Wärmeübertragungselementoberfläche erhalten werden kann.

[0026] Vorzugsweise weist das Wärmeübertragungselement einen zylindrischen oder kegelstumpfförmigen Grundkörper auf, der mit einer Reihe sich in radialer Richtung erstreckender und in axialer Richtung voneinander beanstandeter Rippen, oder mit einer sich spiralförmig um den Grundkörper windenden Rippe versehen ist.

[0027] Durch das Vorsehen einer oder mehrerer Rippen kann die Oberfläche und damit die Wärmeübertragungsfähigkeit des Wärmeübertragungselements vergrößert werden. Ferner kann durch die Anordnung und Form der Rippe(n) der Gasströmungspfad und/oder die Durchmischung der Gasströmung eingestellt bzw. an verschiedene Prozesse angepasst werden.

[0028] Vorzugsweise werden die bei der Verfeuerung entstehenden Heißgase durch eine Aussparung, die von der Gaseinströmungsöffnung in axialer Richtung beabstandet ist, aus der Brennkammer abgeführt.

[0029] Vorzugsweise weist das Verfahren ferner ein Übertragen von Wärme von dem Wärmeübertragungselement an ein Prozessfluid einer Wärmekraftmaschine auf.

[0030] Vorzugsweise weist das Verfahren ferner ein Betreiben einer Biomassevergasungsvorrichtung im Gegenstromverfahren und ein Führen der bei der Vergasung erzeugten brennbaren Gase von der Biomassevergasungsvorrichtung durch die Gaseinströmungsöffnung in die Brennkammer auf.

[0031] Durch die Robustheit der Brennkammer kann somit ein mittels der Vergasung von Biomasse erzeugter Gasstrom ohne zusätzliche Reinigung direkt verfeuert werden, wodurch der Einsatz fossiler Energieträger verringert bzw. durch nachwachsende Rohstoffe ersetzt werden kann.

[0032] Vorzugsweise ist die Biomassevergasungsvorrichtung eine Biomassepellet- oder Biomassehackgut-Vergasungsvorrichtung und umfasst das Betreiben der Biomassepellet- oder Biomassehackgut-Vergasungsvorrichtung im Gegenstromverfahrenein Führen von Rauchgasen durch eine Pelletschüttung oder eine Hackgutschüttung.

[0033] Durch das Führen der brennbaren Gase durch die Pelletschüttung oder die Hackgutschüttung kann ein Teil der bei der Verfeuerung Rückstände bildenden Stoffe und Stoffverbindungen aus dem Gasstrom gefiltert werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0034] Die Erfindung wird nachfolgend in der detaillierten Beschreibung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, wobei auf Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen:

Fig. 1

einen Längsschnitt einer ersten Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2

einen Querschnitt der ersten Vorrichtung;

Fig. 3

einen Längsschnitt einer zweiten Vorrichtung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4

einen Querschnitt der zweiten Vorrichtung;

Fig. 5

einen Längsschnitt eines in der ersten oder zweiten Vorrichtung einsetzbaren Wärmeübertragungselements, an das eine Wärmekraftmaschine gekoppelt ist;

Fig. 6

eine schematische Darstellung eines Systems gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 7

ein Flussdiagramm eines Prozesses zur Verfeuerung brennbarer Gase zeigt.

[0035] Dabei sind in den Zeichnungen gleiche Elemente durch identische Bezugszeichen und analoge Elemente mit um einen Apostroph ergänzten aber ansonsten identischen Bezugszeichen gekennzeichnet.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

[0036] Fig. 1 und 2 zeigen einen Längsschnitt und einen Querschnitt einer ersten Vorrichtung 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entlang der Schnittebenen BB bzw. AA. Die Vorrichtung 10 umfasst eine rotationssymmetrische Brennkammer 12, deren Innenraum nach außen durch eine Brennkammerwand 14 begrenzt ist. In einer Aussparung 16 der Brennkammerwand 14 ist ein Brenner 18 angeordnet. Der Brenner 18 wird durch eine erste Zuführungsleitung 20 mit brennbaren Gasen und durch eine zweite Zuführungsleitung 22 mit Sauerstoff bzw. Umgebungsluft gespeist. Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, kann die erste Zuführungsleitung 20 konzentrisch in der zweiten Zuführungsleitung 22 angeordnet sein. Ferner kann die erste Zuführungsleitung 20 parallel zu, aber außerhalb der zweiten Zuführungsleitung 22 angeordnet sein.

[0037] Wie in Fig. 2 gezeigt, ist die Gaseinströmungsöffnung 24 des Brenners 18 von der Mitte der Brennkammer 12 weggeneigt und tangential gegen eine Innenseite der Brennkammerwand 14 gerichtet, wobei eine mittlere Strömungsrichtung einer aus dem Brenner 18 ausströmenden Gasströmung mit einer Spiegelsymmetrieebene der Brennkammer durch die Mitte der Aussparung 16 einen Winkel von mehr als 45° einschließt. Die Gaseinströmungsöffnung 24 des Brenners 18 ist ferner mit in die Gasströmung hineinragenden Ablenkplatten 26 versehen, die bei entsprechender Gaseinströmungsgeschwindigkeit, welche bspw. durch eine Umgebungsluftzuführungssteuerung gesteuert werden kann, für das Auftreten von Strömungswirbeln in der Gasströmung sorgen. Durch die Strömungswirbel werden die brennbaren Gase und der Sauerstoff in der Brennkammer 12 direkt nach dem Austritt aus der Gaseinströmungsöffnung 24 durchmischt. Der Gasströmung werden somit, neben einer Drehbewegungskomponente um die Brennkammerlängsachse, lokale Strömungswirbel aufgeprägt, die entlang der Bahn der Gasströmung an Ausdehnung und Anzahl abnehmen.

[0038] Im Zentrum eines zylindrischen Abschnitts 28 der Brennkammerwand 14 erstreckt sich ein Wärmeübertragungselement 30 in axialer Richtung. Das Wärmeübertragungselement 30 weist einen zylindrischen Grundkörper 32 auf, der einen mit einem Prozessfluid gefüllten Kanal 34 umfasst. In diesem Zusammenhang sei jedoch angemerkt, dass die Form des Abschnitts 28 und des Wärmeübertragungselements 30 nicht auf die Zylinderform beschränkt ist. Vielmehr kann bspw. das Wärmeübertragungselement 30 anstatt des zylindrischen Grundkörpers 32 auch einen anders ausgeformten, vorzugsweise rotationssymmetrischen Grundkörper 32 aufweisen, z. B. einen kegelstumpfförmigen Grundkörper 32.

[0039] Im Betrieb wird durch das Wärmeübertragungselement 30 die bei der Verfeuerung in der Brennkammer 12 entstehende Wärme (in radialer Richtung nach innen) auf das Prozessfluid übertragen, indem das Wärmeübertragungselement 30 eine homogene thermische Verbindung oder Brücke zwischen dem Innenraum der Brennkammer 12 und dem Prozessfluid ausbildet. Eine Übertragung von Wärme an ein Prozessfluid (in radialer Richtung nach außen) durch die Brennkammerwand 14, bspw. durch eine in einer weiteren Aussparung der Brennkammerwand 14 angeordnete, innenseitig konkave Wärmeübertragungseinrichtung, welche die Brennkammer 12 nach außen begrenzt, ist hingegen nicht vorgesehen. Vielmehr kann die Brennkammerwand 14 zur Isolation der Brennkammer 12 mit einem Feuerfestmaterial, bspw. mit keramischem Material in Form von (innenseitig konkaven) Keramikkacheln oder mit einer Schamotte ausgekleidet sein. Die Keramikkacheln oder die Schamotte geben einen Teil der aufgenommenen Wärme als Strahlungswärme an das Wärmeübertragungselement 30 ab, welches die Wärme an das in dem Kanal 34 vorgesehene Prozessfluid überträgt. Der Kanal 34 kann, wie in Fig. 1 angedeutet, ein Teilabschnitt eines Heizkreislaufes sein, wobei die auf das Prozessfluid übertragene Wärme mit dem, den Kanal 34 durchströmenden Prozessfluid weitergeleitet werden kann.

[0040] Die Brennkammerwand 14 weist zudem in einem konisch zulaufenden Abschnitt eine zweite Aussparung 36 auf, die von der ersten Aussparung 16 in axialer Richtung beabstandet ist, wobei die axiale Richtung vorzugsweise mit der Vertikalen zusammenfällt und die zweite Aussparung 36 oberhalb der ersten Aussparung 16 angeordnet ist. Der durch Verfeuern der brennbaren Gase erzeugten Heißgasströmung wird dadurch neben der Drehbewegungskomponente eine Linearbewegungskomponente in Richtung der zweiten Aussparung 36 aufgeprägt, wodurch sich die Gasströmung entlang einer Spiralbahn (in Fig. 1 und 2 durch "Strömungspfeile" angedeutet) von der Gaseinströmungsöffnung 24 zur zweiten Aussparung 36 bewegt und dort aus der Brennkammer 12 abgeführt wird.

[0041] Fig. 3 und 4 zeigen einen Längsschnitt und einen Querschnitt einer zweiten Vorrichtung 10' gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entlang der Schnittebenen DD bzw. CC. Wie aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich, unterscheidet sich die Vorrichtung 10' von der Vorrichtung 10 dadurch, dass die Heißgase durch die zweite Aussparung 36' nicht, wie durch die zweite Aussparung 36 in Fig. 1 und 2, in axialer Richtung, sondern in tangentialer Richtung aus der Brennkammer 12' abgeführt werden. Dabei kann ein sich an die zweite Aussparung 36' anschließender Abführkanal, welcher sich in radialer Richtung erstreckt, mit einer Symmetrieebene der Brennkammer 12' durch die Mitte der zweiten Aussparung 36' einen vorbestimmten Winkel einschließen, der bspw. größer als 15°, größer als 30° oder größer als 45° ist. Wie aus den Fig. 2 und 4 ersichtlich, sind die Ausrichtung der Gaseinströmungsöffnung 24 und die Ausrichtung des Abführkanals relativ zur jeweiligen radialen Richtung durch die Mitte der ersten Aussparung 16 bzw. durch die Mitte der zweiten Aussparung 36' um die jeweilige axiale Richtung durch die Mitte der ersten Aussparung 16 bzw. durch die Mitte der zweiten Aussparung 36'gegendrehsinnig verkippt. Dadurch wird die Ausrichtung des Abführkanals an die Spiralbahn der Gasströmung angepasst.

[0042] Das Wärmeübertragungselement 30 kann, wie in Fig. 5 gezeigt, eine Reihe von sich in radialer Richtung erstreckender und in axialer Richtung voneinander beanstandeter Rippen 38 oder eine sich (parallel zur Gasströmung) spiralförmig um den Grundkörper 32 windende Rippe 38 aufweisen. Ferner kann das Wärmeübertragungselement 30 mit einer Wärmekraftmaschine 40 gekoppelt sein. Dazu kann, wie in Fig. 5 gezeigt, ein Arbeitskolben 42 in dem Wärmeübertragungselement 30 vorgesehen sein, der durch das sich ausdehnende Prozessfluid verdrängt wird und dabei Arbeit verrichtet. Ferner kann in dem Wärmeübertragungselement 30 ein Verdrängerkolben 44 vorgesehen sein, der das Prozessfluid im Kanal 34 aus einem wärmeren in einen kälteren Kanalbereich verdrängt, wodurch das Prozessfluid abkühlt und der Arbeitskolben 42 in seine Ausgangslage zurückkehrt. Bspw. kann dadurch ein Stirlingprozess implementiert werden, der einen Generator antreibt.

[0043] Fig. 6 zeigt schematisch eine Biomassevergasungsvorrichtung 46, die zum Betrieb im Gegenstromverfahren eingerichtet ist und des Weiteren dazu eingerichtet ist, die Vorrichtung 10 mit brennbaren Gasen zu versorgen. Die Biomassevergasungsvorrichtung 46 umfasst eine Biomassezuführung 48 und eine Umgebungsluftzuführung 50, die an gegenüberliegenden Enden eines Reaktorraumes der Biomassevergasungsvorrichtung 46 angeschlossen sind. Die bei der Vergasung erzeugten brennbaren Gase werden beim Durchströmen der Biomasse, bspw. beim Durchströmen einer Biomassepelletschüttung (wie einer Holzpelletschüttung) oder einer Biomassehackgutschüttung, gefiltert und über die erste Zuführungsleitung 20 in die Brennkammer 12 geleitet. Ferner wird über die zweite Zuführungsleitung 22 Umgebungsluft in die Brennkammer 12 geleitet. Die bei der Verfeuerung der brennbaren Gase in der Brennkammer 12 erzeugten Heißgase geben Wärme an das Wärmeübertragungselement 32 ab und werden über einen Rauchgaskanal 52 abgeführt. Im Rauchgaskanal 52 kann ferner ein Wärmetauscher vorgesehen sein, der den Heißgasen Wärme entzieht und diese einem Heizkreis zuführt.

[0044] Fig. 7 zeigt ein Flussdiagramm des Prozesses 54 zur Verfeuerung der brennbaren Gase in der Brennkammer 12. Der Prozess 54 umfasst ein Einströmen 56 der brennbaren Gase in die Brennkammer 12 durch die Gaseinströmungsöffnung 24 und ein Führen 58 der brennbaren Gase entlang einer Spiralbahn durch die Brennkammer 12. Ferner umfasst der Prozess 54 ein Verfeuern 60 der brennbaren Gase (entlang der Spiralbahn) und ein Abführen 62 der beim Verfeuern entstehenden Heißgase aus der Brennkammer 12.

BEZUGSZEICHENLISTE

[0045] 

10, 10'

Vorrichtung

12, 12'

Brennkammer

14, 14'

Brennkammerwand

16

Aussparung

18

Brenner

20

erste Zuführungsleitung

22

zweite Zuführungsleitung

24

Gaseinströmungsöffnung

26

Ablenkplatten

28

zylindrischer Abschnitt

30

Wärmeübertragungselement

32

Grundkörper

34

Kanal

36, 36'

Aussparung

38

Rippe

40

Wärmekraftmaschine

42

Arbeitskolben

44

Verdrängerkolben

46

Biomassevergasungsvorrichtung

48

Biomassezuführung

50

Umgebungsluftzuführung

52

Rauchgaskanal

54

Verfeuerugsprozess

56-62

Prozessschritte

Ansprüche

1. Vorrichtung (10, 10') zur Verfeuerung brennbarer Gase, umfassend:

eine von einer Brennkammerwand (14, 14') begrenzte Brennkammer (12, 12'); und

einen Brenner (18), welcher in einer Aussparung (16) der Brennkammerwand (14, 14') angeordnet ist;

dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (18) als Parallelstrombrenner ausgebildet ist und eine Gaseinströmungsöffnung (24) des Brenners (18) tangential gegen die Brennkammerwand (14, 14') gerichtet ist.

2. Vorrichtung (10, 10') zur Verfeuerung brennbarer Gase nach Anspruch 1, wobei die Brennkammerwand (14, 14') einen zylindrischen oder kegelstumpfförmigen Abschnitt (28) aufweist, in dessen Zentrum sich ein Wärmeübertragungselement (30) in axialer Richtung erstreckt.

3. Vorrichtung (10, 10') zur Verfeuerung brennbarer Gase nach Anspruch 2, wobei das Wärmeübertragungselement (30) einen zylindrischen oder kegelstumpfförmigen Grundkörper (32) aufweist, der
mit einer Reihe sich in radialer Richtung erstreckender und in axialer Richtung voneinander beanstandeter Rippen (38); oder
mit einer sich spiralförmig um den Grundkörper windenden Rippe (38) versehen ist.

4. Vorrichtung (10, 10') zur Verfeuerung brennbarer Gase nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Vorrichtung (10, 10') eine zweite Aussparung (36, 36') aufweist, die von der Aussparung (16) in axialer Richtung beabstandet ist, wobei die zweite Aussparung (36, 36') zur Abführung von Heißgasen, die im Betrieb durch eine in der Brennkammer (12, 12') erfolgte Verfeuerung der brennbaren Gase erzeugt werden, eingerichtet und vorgesehen ist.

5. Vorrichtung (10, 10') zur Verfeuerung brennbarer Gase nach einem der Ansprüche 2 bis 4, ferner umfassend eine Wärmekraftmaschine (40), wobei die Wärmekraftmaschine (40) an das Wärmeübertragungselement (30) gekoppelt ist.

6. Vorrichtung (10, 10') zur Verfeuerung brennbarer Gase nach einem der Ansprüche 2 bis 5, ferner umfassend eine Steuerung, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, eine Gasströmung durch die Gaseinströmungsöffnung (24) zu steuern, wobei sich die einströmenden Gase auf einer spiralförmigen Bahn um das Wärmeübertragungselement (30) bewegen.

7. Vorrichtung (10, 10') zur Verfeuerung brennbarer Gase nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Brennkammerwand (14, 14') zumindest teilweise mit einem Feuerfestmaterial, vorzugsweise mit keramischem Material oder einer Schamotte ausgekleidet ist.

8. System, umfassend:

eine Vorrichtung (10, 10') zur Verfeuerung brennbarer Gase nach einem der Ansprüche 1 bis 7; und

eine im Gegenstromverfahren betreibbare Biomassevergasungsvorrichtung (46);

wobei der Brenner (18) an die im Gegenstromverfahren betreibbare Biomassevergasungsvorrichtung (46) angeschlossen ist.

9. Verfahren (54) zur Verfeuerung brennbarer Gase, umfassend:

Einströmen (56) der brennbaren Gase in eine Brennkammer (12, 12') durch eine Gaseinströmungsöffnung (24);

Verfeuern (60) der brennbaren Gase; und

Abführen (62) von bei der Verfeuerung entstehenden Heißgasen aus der Brennkammer (12, 12');

dadurch gekennzeichnet, dass

eine Wand (14, 14') der Brennkammer (12, 12') zumindest teilweise mit einem Feuerfestmaterial ausgekleidet ist; und

die brennbaren Gase von der Gaseinströmungsöffnung (24) entlang einer Spiralbahn durch die Brennkammer (12, 12') geführt (58) werden.

10. Verfahren (54) zur Verfeuerung brennbarer Gase nach Anspruch 9, wobei die Brennkammerwand (14, 14') einen zylindrischen oder kegelstumpfförmigen Abschnitt (28) aufweist, in dessen Zentrum sich ein Wärmeübertragungselement (30) in axialer Richtung erstreckt.

11. Verfahren (54) zur Verfeuerung brennbarer Gase nach Anspruch 10, wobei das Wärmeübertragungselement (30) einen zylindrischen oder kegelstumpfförmigen Grundkörper (32) aufweist, der
mit einer Reihe sich in radialer Richtung erstreckender und in axialer Richtung voneinander beanstandeter Rippen (38); oder
mit einer sich spiralförmig um den Grundkörper (32) windenden Rippe (38) versehen ist.

12. Verfahren (54) zur Verfeuerung brennbarer Gase nach Anspruch 10 oder 11, wobei die bei der Verfeuerung entstehenden Heißgase durch eine Aussparung (36), die von der Gaseinströmungsöffnung (24) in axialer Richtung beabstandet ist, aus der Brennkammer (12) abgeführt werden.

13. Verfahren (54) zur Verfeuerung brennbarer Gase nach einem der Ansprüche 10 bis 12, ferner umfassend:

Übertragen von Wärme von dem Wärmeübertragungselement (30) an ein Prozessfluid einer Wärmekraftmaschine (40).

14. Verfahren (54) zur Verfeuerung brennbarer Gase nach einem der Ansprüche 9 bis 13, ferner umfassend:

Betreiben einer Biomassevergasungsvorrichtung (46) im Gegenstromverfahren; und

Führen der bei der Vergasung erzeugten brennbaren Gase von der Biomassevergasungsvorrichtung (46) durch die Gaseinströmungsöffnung (24) in die Brennkammer (12, 12').

15. Verfahren (54) zur Verfeuerung brennbarer Gase nach Anspruch 14, wobei die Biomassevergasungsvorrichtung (46) eine Biomassepellet- oder Biomassehackgut-Vergasungsvorrichtung ist und das Betreiben der Biomassepellet- oder Biomassehackgut-Vergasungsvorrichtung im Gegenstromverfahren ein Führen von Rauchgasen durch eine Pelletschüttung oder eine Hackgutschüttung umfasst.

Amended claims

Geänderte Patentansprüche gemäss Regel 137(2) EPÜ.

1. Vorrichtung (10, 10') zur Verfeuerung brennbarer Gase, umfassend:

eine von einer Brennkammerwand (14, 14') begrenzte Brennkammer (12, 12'); und

einen Brenner (18), welcher in einer Aussparung (16) der Brennkammerwand (14, 14') angeordnet ist;

wobei eine Gaseinströmungsöffnung (24) des Brenners (18) tangential gegen die Brennkammerwand (14, 14') gerichtet ist;

dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (18) als Parallelstrombrenner ausgebildet ist und die Brennkammerwand (14, 14') einen zylindrischen oder kegelstumpfförmigen Abschnitt (28) aufweist, in dessen Zentrum sich ein Wärmeübertragungselement (30) in axialer Richtung erstreckt, welches im Betrieb entlang einer sich um das Wärmeübertragungselement (30) windenden Bahn von Heißgasen, die im Betrieb durch eine in der Brennkammer (12, 12') erfolgte Verfeuerung der brennbaren Gase erzeugt werden, umströmt wird.

2. Vorrichtung (10, 10') zur Verfeuerung brennbarer Gase nach Anspruch 1, wobei das Wärmeübertragungselement (30) einen zylindrischen oder kegelstumpfförmigen Grundkörper (32) aufweist, der
mit einer Reihe sich in radialer Richtung erstreckender und in axialer Richtung voneinander beanstandeter Rippen (38); oder
mit einer sich spiralförmig um den Grundkörper windenden Rippe (38) versehen ist.

3. Vorrichtung (10, 10') zur Verfeuerung brennbarer Gase nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vorrichtung (10, 10') eine zweite Aussparung (36, 36') aufweist, die von der Aussparung (16) in axialer Richtung beabstandet ist, wobei die zweite Aussparung (36, 36') zur Abführung von Heißgasen, die im Betrieb durch eine in der Brennkammer (12, 12') erfolgte Verfeuerung der brennbaren Gase erzeugt werden, eingerichtet und vorgesehen ist.

4. Vorrichtung (10, 10') zur Verfeuerung brennbarer Gase nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner umfassend eine Wärmekraftmaschine (40), wobei die Wärmekraftmaschine (40) an das Wärmeübertragungselement (30) gekoppelt ist.

5. Vorrichtung (10, 10') zur Verfeuerung brennbarer Gase nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner umfassend eine Steuerung, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, eine Gasströmung durch die Gaseinströmungsöffnung (24) zu steuern, wobei sich die einströmenden Gase auf einer spiralförmigen Bahn um das Wärmeübertragungselement (30) bewegen.

6. Vorrichtung (10, 10') zur Verfeuerung brennbarer Gase nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Brennkammerwand (14, 14') zumindest teilweise mit einem Feuerfestmaterial, vorzugsweise mit keramischem Material oder einer Schamotte ausgekleidet ist.

7. System, umfassend:

eine Vorrichtung (10, 10') zur Verfeuerung brennbarer Gase nach einem der Ansprüche 1 bis 6; und

eine im Gegenstromverfahren betreibbare Biomassevergasungsvorrichtung (46);

wobei der Brenner (18) an die im Gegenstromverfahren betreibbare Biomassevergasungsvorrichtung (46) angeschlossen ist.

8. Verfahren (54) zur Verfeuerung brennbarer Gase, umfassend:

Einströmen (56) der brennbaren Gase in eine Brennkammer (12, 12') durch eine Gaseinströmungsöffnung (24);

Verfeuern (60) der brennbaren Gase; und

Abführen (62) von bei der Verfeuerung entstehenden Heißgasen aus der Brennkammer (12, 12');
wobei

eine Wand (14, 14') der Brennkammer (12, 12') zumindest teilweise mit einem Feuerfestmaterial ausgekleidet ist; und

die brennbaren Gase von der Gaseinströmungsöffnung (24) entlang einer Spiralbahn durch die Brennkammer (12, 12') geführt (58) werden;

dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammerwand (14, 14') einen zylindrischen oder kegelstumpfförmigen Abschnitt (28) aufweist, in dessen Zentrum sich ein Wärmeübertragungselement (30) in axialer Richtung erstreckt, wobei sich die Spiralbahn um das Wärmeübertragungselement (30) windet.

9. Verfahren (54) zur Verfeuerung brennbarer Gase nach Anspruch 8, wobei das Wärmeübertragungselement (30) einen zylindrischen oder kegelstumpfförmigen Grundkörper (32) aufweist, der
mit einer Reihe sich in radialer Richtung erstreckender und in axialer Richtung voneinander beanstandeter Rippen (38); oder
mit einer sich spiralförmig um den Grundkörper (32) windenden Rippe (38) versehen ist.

10. Verfahren (54) zur Verfeuerung brennbarer Gase nach Anspruch 8 oder 9, wobei die bei der Verfeuerung entstehenden Heißgase durch eine Aussparung (36), die von der Gaseinströmungsöffnung (24) in axialer Richtung beabstandet ist, aus der Brennkammer (12) abgeführt werden.

11. Verfahren (54) zur Verfeuerung brennbarer Gase nach einem der Ansprüche 8 bis 10, ferner umfassend:

Übertragen von Wärme von dem Wärmeübertragungselement (30) an ein Prozessfluid einer Wärmekraftmaschine (40).

12. Verfahren (54) zur Verfeuerung brennbarer Gase nach einem der Ansprüche 8 bis 11, ferner umfassend:

Betreiben einer Biomassevergasungsvorrichtung (46) im Gegenstromverfahren; und

Führen der bei der Vergasung erzeugten brennbaren Gase von der Biomassevergasungsvorrichtung (46) durch die Gaseinströmungsöffnung (24) in die Brennkammer (12, 12').

13. Verfahren (54) zur Verfeuerung brennbarer Gase nach Anspruch 12, wobei die Biomassevergasungsvorrichtung (46) eine Biomassepellet- oder Biomassehackgut-Vergasungsvorrichtung ist und das Betreiben der Biomassepellet- oder Biomassehackgut-Vergasungsvorrichtung im Gegenstromverfahren ein Führen von Rauchgasen durch eine Pelletschüttung oder eine Hackgutschüttung umfasst.

Zeichnung