DE19850376A1 - Vorrichtung zum Verbrennen von Bio- und Feststoffmassen mit primärer Schadstoffminderung - CO, NOx und Staub - Google Patents
Vorrichtung zum Verbrennen von Bio- und Feststoffmassen mit primärer Schadstoffminderung - CO, NOx und StaubInfo
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Abstract
Es wird eine Vorrichtung beschrieben, die es ermöglicht, den Verbrennungsprozeß von Bio- und Feststoffmassen so zu führen, daß die zur primären Schadstoffminderung notwendigen Bedingungen im Feuerraum erfüllt werden. Der Feuerraum besteht aus einer feuerfest ausgekleideten Vergasungs- und einer Brennkammer, die so miteinander verbunden sind, daß heiße Gase aus der Brennkammer in die Vergasungskammer geleitet werden können. Durch diese Anordnung kann auch bei Teillast ein Auskühlen von Vergasungs- und Brennkammer verhindert werden. Die Luftzuführung erfolgt über Gliederkopfgebläse, wodurch eine optimale Durchmischung von Brenngasen und Verbrennungsluft erzielt wird.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verbrennen von Bio- und Feststoffmassen. Bio
massen, die zur thermischen Nutzung zur Verfügung stehen, sind z. B. Restholz aus der Durch
forstung, Grünschnitt, Abfälle bei der Holzbe- und -verarbeitung und Gebrauchtholz aus dem
Recycling- und Abbruchbereich. Biogene Brennstoffe liegen in unterschiedlicher Form, wie z. B.
als Stückholz, Späne, Sägemehl und Schleifstaub sowie als Gemisch vor.
Die fortschreitende Entwicklung im Bereich Werkstoffe und Fertigungstechnologien in der
holzverarbeitenden Industrie, hat einen erheblich feineren staubartigen Produktionsabfall zur
Folge. Diese biogenen Produktionsabfälle weisen je nach Art und Menge der verarbeiteten
Werkstoffe (z. B. Spanplatten) einen Stickstoffgehalt von bis zu 4% auf, was bei der Verbren
nung in derzeit üblichen Feuerungen zu sehr hohen NOx- und Staubkonzentrationen im Abgas
führen kann.
In holzbe- und -verarbeitenden Betrieben werden Biomassefeuerungen hauptsächlich zur Behei
zung der Betriebsgebäude und zur Prozeßwärmeerzeugung eingesetzt. Die momentan installier
ten Feuerungen, weisen im Vergleich zu Öl- und Gasfeuerungen sehr hohe Emissionen an Koh
lenmonoxid (CO), Stickstoffoxiden (NOx) und Staub auf. Die beschriebene Erfindung ermög
licht es, die Schadstoffemissionen bei der Biomasseverbrennung durch Primärmaßnahmen
wesentlich zu vermindern.
Zur Wärmegewinnung aus Biomassen sind mehrere Verbrennungssysteme wie Schubrost- und
Schrägrostfeuerungen, Unterschub-Schneckenfeuerungen und die Fließbettentgasung
(EP-A2 0 076 353) bekannt. Die CO-Emissionen im Abgas von Holzfeuerungen hängen im wesentlichen
von den Ausbrandbedingungen (Temperatur, Verweilzeit, Sauerstoffangebot, Vermischung) in
der Brennkammer ab. Staubartige Brennstoffe, die sehr trocken sind und deren Struktur in den
meisten Fällen als "einblaspflichtig" im Sinne der Vorschrift TRD 414 "Holzfeuerungen an
Dampfkesseln" einzustufen ist, oder die zumindest im Grenzbereich dieser Vorschrift angesie
delt sind, erreichen mit der bekannten Einblasfeuerung unter Verwendung des Gliederkopf
gebläses (EP-B1 0 473 618) auf Grund des Prinzips der "Verbrennung in einer rotierenden Gas
walze" sehr gute Emissionswerte. Der Leistungsbereich solcher Feuerungsanlagen liegt zur Zeit
zwischen 0,5 und 10 MW.
Bei Holzfeuerungen für den gewerblichen Bereich (100-1000 kW) konnten, durch die Brenn
kammergestaltung (z. B. vollständige Schamottierung, gestufte Brennkammer mit getrennter
Primär- und Sekundärluftzuführung) und durch den Einsatz elektronischer Regelungen, die
CO-Emissionen im Vergleich zu älteren Feuerungsanlagen wesentlich reduziert werden. Aus der
EP-B1 0 473 618 ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt, bei der eine durch ein
sogenanntes Gliederkopfgebläse erzeugte Gasströmung einen optimalen Verbrennungsprozeß
ermöglicht.
Die NOx-Emissionen hängen bei der Holzverbrennung direkt vom Stickstoffgehalt des einge
setzten Brennstoffes ab. Spanplatten enthalten aufgrund von stickstoffhaltigen Bindemitteln und
Beschichtungen (z. B. Melamin) gegenüber naturbelassenem Holz wesentlich mehr Stickstoff,
was zu sehr hohen NOx-Konzentrationen im Abgas führt (ZUBERBÜHLER U., BAUMBACH
G. 1998: Feuerungen in der holzbe- und -verarbeitenden Industrie - Techniken, Emissionen, Neu
entwicklungen. In Tagungsband: Emissionsarme Holzverbrennung in häuslichen und gewerb
lichen Feuerungsanlagen, Kolloquium am 29. September 1998 in Stuttgart, S. 53-66). Die
Partikelemissionen unterliegen vielfältigen Einflüssen. Je feinkörniger die Brennstoffe sind,
desto eher besteht die Möglichkeit, daß unverbrannte Brennstoff- und Aschepartikel von der
Strömung im Feuerraum mitgerissen werden und so der Gasströmung durch den Wärmetauscher
folgen, wo sie eine Schlüsselrolle bei der Neubildung von Dioxinen und Furanen spielen. Durch
Sekundärmaßnahmen können diese relativ groben Partikel zwischen Wärmetauscher und Karnin
mit einem Zyklon abgeschieden werden. Auch die NOx-Konzentrationen lassen sich durch
sekundäre Maßnahmen mindern, was einen erheblichen apparativen und regelungstechnischen
Aufwand darstellt, der für Feuerungen < 1 MW wirtschaftlich nicht vertretbar ist.
Die Prinzipien zur primären NOx-Minderung sind hinreichend bekannt, aber an bestehenden
Holzfeuerungen erst ansatzweise umgesetzt (NUSSBAUMER T. 1997: Primär- und Sekundär
maßnahmen zur Stickoxidminderung bei Holzfeuerungen. In: Moderne Feuerungstechnik zur
energetischen Verwertung von Holz und Holzabfällen, VDI Sonderpublikation, S. 279-308). Um
die notwendigen Bedingungen zur primären NOx-Minderung im Feuerraum einzustellen, wird
dieser räumlich in Primär- und Sekundärzone getrennt (Luftstufung). Dazwischen wird bei
hoher Temperatur und Luftmangel eine Reduktionszone eingerichtet (KELLER R. 1994: Pri
märmaßnahmen zur Stickoxidminderung bei der Verbrennung von Holz und Spanplatten. VDI
Fortschritt-Berichte, Reihe 15: Umwelttechnik Nr. 129). Im Praxisbetrieb ist es jedoch sehr
schwer, die zur NOx-Minderung notwendigen Bedingungen einzustellen, da die Feuerungen - je
nach momentanem Wärmebedarf mit unterschiedlicher Last betrieben werden. In Feuerungs
anlagen < 1 MW bei denen Holzwerkstoffe und Spanplatten eingesetzt werden wird zur
NOx-Minderung die Rauchgasrezirkulation eingesetzt. Dadurch soll erreicht werden, die Feuerung im
Primärbereich möglichst unterstöchiometrisch (mit Luftmangel) zu betreiben, um im Primär
bereich reduzierende Bedingungen zu schaffen. Dazu wird im Primärbereich der Feuerung ein
Teilstrom der abgekühlten Rauchgase über separate Gebläse wieder zugegeben. Dies erfordert
einen zusätzlichen Steuer- und Regelaufwand.
Partikel im Abgas werden bei Anlagen < 1 MW in der Regel mit Trägheitsabscheidern (meist
Zyklon) aus dem Abgas entfernt. Bei Feuerungsanlagen < 1 MW werden zur Entstaubung auf
grund des einzuhaltenden TA-Luft Grenzwertes Elektrofilter eingesetzt. Bei Feuerungen mit
einem hohen Anteil an sehr feinen Partikeln (< 1 µm) im Abgas werden vereinzelt Gewebefilter
eingesetzt, da die sehr feinen Partikel mit einem Zyklon oder Elektrofilter nicht effektiv abge
schieden werden können.
Die nachträgliche Partikelabscheidung stellt immer einen apparativen Aufwand dar. Außerdem
entstehen hier Reststoffe, die u. U. teuer entsorgt werden müssen. Bei der beschriebenen Erfin
dung verbleiben die von der Strömung mitgerissenen unverbrannten Partikel im heißen Feuer
raum, bis sie vollständig ausgebrannt sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand
der Technik, eine Vorrichtung zum Verbrennen von Bio- und Feststoffmassen aufzuzeigen, mit
der derartige Massen so verbrannt werden können, daß möglichst wenig Schadstoffe entstehen
und emittiert werden. Die Erfindung dient dazu, die teilweise sehr hohen CO-, NOx-, und
Staubemissionen bei der Verbrennung von Bio- und Feststoffmassen durch primäre Maßnahmen
erheblich zu senken. Diese Erfindung ist durch die Merkmale des Hauptanspruchs gegeben.
Bei der entsprechenden Vorrichtung mit einer Vergasungskammer (10) und einer Brennkammer
(30), die über die Kanäle (25 u. 35) miteinander verbunden sind und eine Einheit bilden, kann
Heißgas (33) aus der Brennkammer (30) in die Vergasungskammer (10) zurückgeführt werden.
Dadurch können in den beiden Kammern die zur primären NOx-Minderung notwendigen Bedin
gungen eingestellt werden. Durch die Heißgaszirkulation können diese Bedingungen auch bei
Teillastbetrieb realisiert werden. Bei herkömmlichen Feuerungsanlagen kühlt der Feuerraum bei
Teillast schnell aus, was zu erhöhten Emissionen führt. Dieser Effekt wird durch die Heißgaszir
kulation erheblich vermindert. Es handelt sich hierbei nicht um die bereits vielfach angewendete
Rauchgasrückführung.
Durch den Einsatz von Gliederkopfgebläsen werden in der Vergasungs- und Brennkammer
Drallströmungen erzeugt, die für eine gute Durchmischung sorgen (Gebrauchsmuster
DE 297 07 893 U1). Dadurch kann der zur vollständigen Verbrennung notwendige Luftüberschuß erheblich
reduziert werden, sich positiv auf den Wirkungsgrad (weniger Abgasverluste) auswirkt. Die
Drallströmung wird in der Brennkammer (30) dazu benutzt, durch Flieh- und Trägheitskräfte
Partikel abzuscheiden, die über den Heißgas-Rückführkanal (35) mit dem zirkulierenden Heiß
gas (33) wieder in die Vergasungskammer (10) gelangen. Dadurch kann der sonst hinter solchen
Anlagen übliche Zyklonabscheider entfallen.
Das wesentlich Neue bzw. der Kern der Erfindung besteht darin, daß nicht bereits durch den
Wärmetauscher abgekühltes Rauchgas (60) zurückgeführt wird, sondern Heißgas (33) aus der
Brennkammer (30) in die Vergasungskammer (10) zurückgeführt wird. Ebenfalls neu ist die
Rückführung der abgeschiedenen Partikel von der Brennkammer (30) in die Vergasungskammer
(10). Unverbrannte Partikel müssen somit nicht entsorgt werden.
Die aus der Patentschrift des Gliederkopfgebläses (EP 0 473 618) bekannte Drallströmung wird
dazu benutzt einen Teil des Heißgases am Ende der Brennkammer (30), bevor dieses den Wär
metauscher durchströmt, abzuleiten und über Heißgas-Rückführungskanal (35), der in die Ver
gasungskammer (10) mündet, wieder in die Vergasungskammer (10) zu fördern, wo es mit dem
rotierenden Vergasungsprodukten (11) intensiv vermischt wird. Im Wandbereich des Glieder
kopfgebläse (40.1 u. 40.2) entsteht durch die hohe Gasaustrittsgeschwindigkeit am Ringspalt
(41.2) ein Unterdruck; auf der jeweils gegenüberliegenden Seite der Kammer ein Überdruck. Die
Gliederkopfgebläse (40.1 u. 40.2) sind so angeordnet, daß diese axialen Druckunterschiede der
beiden Kammern als treibende Kraft zur Heißgaszirkulation (33) dienen. Die Steuerung der
beiden Gliederkopfgebläse erfolgt über getrennte Frequenzumrichter anhand der im Abgas ge
messen Sauerstoffkonzentration. Durch Variation der Gebläsedrehzahlen kann sowohl die ins
gesamt zugeführte Luftmenge als auch die zirkulierte Heißgasmenge eingestellt werden.
Zum Betrieb der Feuerung reichen in der Regel die Gliederkopfgebläse aus. Ist der gasseitige
Druckverlust des Kessels sehr hoch oder soll der Kessel aus Sicherheitsgründen mit Unterdruck
gegenüber der Umgebung betrieben werden, kann ein Saugzuggebläse zwischen Kessel und
Kamin eingesetzt werden.
Bei Feuerungen mit kleiner Leistung (bis ca. 100 kW) kann der Brennstoff, abweichend von der
in Fig. 1 dargestellten Ausführung der Erfindung, auch in stückiger Form in der Brennkammer
(30) zugeführt werden. Bei dieser Ausführung kann auf den Schneckenförderer (13) und das
Gliederkopfgebläse (40.2) verzichtet werden.
Die in Fig. 1 dargestellte "liegende" Ausführung der Vergasungskammer (10) und Brennkammer
(30) kann auch als "stehende" Ausführung betrieben werden, wobei der Hitzeschild (42.2) des
Gliederkopfgebläses (40.2) als Feuermulde ausgebildet ist, wo der Brennstoff (12) mittels
Schneckenförderer (13) zugeführt wird.
Die Erfindung wird im folgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei
spiels näher beschrieben und erläutert. Es zeigt
Fig. 1 Längs- und Querschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer feuerfest ausge
kleideten Vergasungs- und Brennkammer mit je einem Gliederkopfgebläse.
In der feuerfest ausgekleideten Vergasungskammer (10) wird der Brennstoff über einen Schnec
kenförderer (12) wie bei einer konventionellen Unterschubfeuerung zugeführt. Mit dem Glieder
kopfgebläse (40.2) wird über den Ringspalt (41.2) die zur Vergasung notwendige Primärluft (14)
zugegeben. Das Gliederkopfgebläse (40.2) setzt in der Vergasungskammer (10) die Vergasungs
produkte (11) in Rotation. Dabei wird zirkulierendes Heißgas (33), das über den Heißgas-Rück
führkanal (35) in die Vergasungskammer (10) gelangt, mit den Vergasungsprodukten (11) ge
mischt. Dieses unvollständig verbrannte Gasgemisch gelangt über den Flammkanal (25) in die
feuerfest ausgekleidete Brennkammer (30). Das Gliederkopfgebläse (40.1) setzt das Heißgas (31)
in der Brennkammer (30) in Rotation. Außerdem wird mit dem Gliederkopfgebläse (40.1) die
zur vollständigen Verbrennung nötige Sekundärluft (32) zugeführt. Anschließend durchströmt
das vollständig verbrannte Heißgas (31) den Kessel (50), wo es seine Wärme an das Kessel
wasser abgibt. Das abgekühlte Rauchgas (60) gelangt direkt oder über einen Entstauber in den
Schornstein. Im Ascheraum (20) werden von der Drallströmung mitgerissene Asche (23)- und
Brennstoffteilchen durch Trägheitskräfte abgeschieden, wo sie die nötige Zeit haben um voll
ständig auszubrennen.
10
Vergasungskammer (feuerfest ausgekleidet)
11
Vergasungsprodukte (Drallströmung)
12
Brennstoff
13
Schneckenförderer (Brennstoff)
14
Primärluft (Frischluftzufuhr Vergasungskammer)
20
Ascheraum (feuerfest ausgekleidet)
21
Wand (feuerfest)
22
Decke (feuerfest)
23
Asche
25
Flammkanal (feuerfest ausgekleidet)
30
Brennkammer (feuerfest ausgekleidet)
31
Heißgas (Drallströmung)
32
Sekundärluft (Frischluftzufuhr Brennkammer)
33
zirkulierendes Heißgas
35
Heißgas-Rückführkanal (feuerfest ausgekleidet)
40.1
Gliederkopfgebläse Brennkammer
40.2
Gliederkopfgebläse Vergasungskammer
41.2
Ringspalt (Primärluftzuführung mit Gliederkopfgebläse (
40.2
))
42.2
Hitzeschild
50
Kessel (Rauchrohrkessel)
60
Rauchgas
Claims (5)
1. Vorrichtung zur primären Schadstoffminderung, mit einer Vergasungskammer und einer
Brennkammer vor dem Wärmetauscher und dem Entstauber, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Vergasungskammer (10) und eine Brennkammer (30) mit je einem Gliederkopf
gebläse (40.1 und 40.2) über einen Heißgas-Rückführkanal (35) und einen Flammkanal (25)
direkt miteinander verbunden sind und eine Einheit bilden, wobei der Heißgas-Rückführ
kanal (35) am Ende der Brennkammer (30) plaziert ist und der Flammkanal (25) am Ende
der Vergasungskammer (10) unter dem Gliederkopfgebläse (40.1) in die Brennkammer (30)
mündet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vergasungskammer (10) abströmseitig durch die Einbauten Wand (21) und Decke
(22) teils vom Ascheraum (20) getrennt wird und im Flammkanal (25) endet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Primärluft (14) nicht mit dem Gliederkopfgebläse (40.2), sondern über Öffnungen in
der Vergasungskammer (10) im Bereich des Brennstoffs (12) zugeführt wird und nur in der
Brennkammer (30) das Gliederkopfgebläse (40.1) platziert ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Längsachsen der Vergasungskammer (10) und der Brennkammer (30) stehend an
geordnet sind, wobei der Hitzeschild (42.2) des Gliederkopfgebläses (40.2) als Feuermulde
ausgebildet ist, wo der Brennstoff mittels Schneckenförderer (13) zugeführt wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sekundärluft (32) anstelle des Gliederkopfgebläses (40.1) mit einem Druckgebläse
über eine oder mehrere Düsen der Brennkammer (30) zugeführt wird.
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