DE3917049A1 - Vorrichtung zum verbrennen von bio- und feststoffmassen - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verbrennen von Bio- und Feststoffmassen.

Biomassen, die für Heizzwecke verwendet werden, sind bei­ spielsweise Holzabfälle wie Späne, Sägemehl, Schleifstaub, Holzpreßpellets oder Hackschnitzel, die vor allem in der holz­ verarbeitenden Industrie in großem Umfang anfallen. Brennbare Feststoffmassen, die für Heizzwecke verwendet werden, sind beispielsweise Holzmüllpellets, Schlammrückstände und son­ stige verunreinigte Feststoffe, wie sie in der übrigen Indu­ strie anfallen. Die Wärmegewinnung aus derartigen Brennmateri­ alien ist wegen der damit verbundenen Umweltbelastung recht problematisch.

Stand der Technik

Zur Wärmegewinnung aus Biomassen ist die Fließbettentgasung bekannt (EP-A2 00 76 353). Hierbei wird die Biomasse von einer Fördereinrichtung kontinuierlich einer in einer Entga­ sungskammer angeordneten Wanne zugeführt. In der Entgasungs­ kammer herrschen hohe Temperaturen, so daß die brennbaren Gase aus der Biomasse entweichen können. Diese Gase verbren­ nen in einer sich an die Entgasungskammer anschließenden Flam­ menkammer. Die hierbei entstehende Wärme wird zur Beheizung der Entgasungskammer mitbenutzt. In der die Verbrennungsmas­ sen aufnehmenden Wanne sind Löcher vorhanden, durch die die in die Entgasungskammer mittels eines Gebläses eingetriebene Luft durch das in der Wanne befindliche Brennmaterial hin­ durchströmt. Eine Temperaturregulierung kann einerseits durch Verändern der der Flammkammer zugeführten Luftmenge und ande­ rerseits durch Verändern der der Entgasungskammer zugeführten Luftmenge erfolgen. Durch die Luftführung wird insgesamt er­ reicht, daß die Verbrennungsgase in den Brennkessel einströ­ men und dort beispielsweise eine von Wasser durchflossene Rohrschlange eines Wärmetauschers erwärmen können. Diese Art der Luftführung teilweise durch die Brennmaterialien in der Wanne hindurch führt zu einer starken Verwirbelung dieser Brennmaterialien. Bei der Verwendung von Holzabfällen stellt der dabei verursachte nicht verbrannte Staubaustrag ein großes Problem dar.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik eine einfache Mög­ lichkeit zum optimalen Verbrennen von Bio- und Feststoffmas­ sen aufzuzeigen.

Diese Erfindung ist durch die Merkmale des Hauptanspruchs ge­ geben. Eine dementsprechende Vorrichtung mit einer Entgasungs- und Flammkammer, einer Einrichtung zum Zuführen von Außen­ luft, einem Gebläse für die Außenluft, einer Einrichtung zum Zuführen der Brennmaterialien in eine Wanne hinein und eine Einrichtung zum Entfernen der beim Verbrennen anfallenden Asche ist erfindungsgemäß dementsprechend dadurch gekennzeich­ net, daß die Entgasungskammer gleichzeitig auch die Flammkam­ mer ist, daß ein Ringraum zwischen der seitlichen Wand der Wanne und der Innenseite der Kammerwand vorhanden ist, daß durch diesen Ringraum hindurch der Bereich oberhalb der Wanne mit dem Bereich unterhalb der Wanne strömungsmäßig verbunden ist, daß oberhalb der Wanne eine mittige Austrittsöffnung in der Kammerwandung vorhanden ist, daß die Kammerwandung zur Austrittsöffnung hin eine konzentrische Verjüngung aufweist und daß unterhalb der Wanne ein Gebläse vorhanden ist, mit der die in den Bereich unterhalb der Wanne von außen angesaug­ te Luft durch den Ringraum derart hindurchtreibbar ist, daß die Luft die Wandung der Wanne schneckenförmig umströmt. Mes­ sungen haben ergeben, daß die durch die Austrittsöffnung hin­ durchreichende Brennflamme rußfrei und praktisch keine Staub­ beladung aufweist. Bei einem Verbrennen von Holzpellets mit einem Durchmesser von 60 mm und von stückigem Holz mit den Abmessungen 60×60×30 (50) mm, sowie von Müllpellets mit einem Durchmesser von 20 mm haben Messungen in einer an den Flammkanal sich anschließenden Rohrleitung zu CO-Werten von 0,00% bis 0,04% geführt; ein Zeichen dafür, daß eine voll­ ständige Verbrennung stattgefunden hatte.

Diese Ergebnisse werden auch durch das Flammbild der Brenn­ flamme gestützt; das Flammbild ist im Bereich der Austritts­ öffnung mit dem einer optimal eingestellten Ölbrennerflamme vergleichbar.

Als günstig hat es sich herausgestellt, die Kammer in vertika­ ler Ausrichtung auszubilden, so daß die Luft-Ansaugöffnung im unteren Bereich der Kammer, unterhalb der Wanne, und die Gas- Austrittsöffnung im oberen Bereich der Kammer angeordnet wer­ den kann. Da die Brennflamme nach oben in Richtung zu der Aus­ trittsöffnung zeigt, ist auch die heißeste Zone im oberen Be­ reich der Kammer vorhanden. Die unterhalb der Wanne im unte­ ren Bereich der Kammer vorhandene Gebläseeinrichtung kann da­ mit im kühlsten Bereich innerhalb der gesamten Vorrichtung angeordnet werden. Eine Überhitzung der Kammer ist ferner kaum möglich, da das freiwerdende Gas und das ggf. von außen zugeführte Stickgas, das z. B. rückgeführtes Rauchgas sein kann, nur teilweise innerhalb der Vorrichtung selber verbren­ nen; der prozentual größte Ausbrand findet im Bereich des Flammkanals und kurz danach statt. Der Flammkanal ist damit auch der heißeste Bereich der Vorrichtung und befindet sich in günstiger Weise abströmseitig direkt oberhalb der zu ver­ brennenden Massen.

Die günstige Hitzeverteilung innerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung macht es ausreichend, die Innenseite der Kammer lediglich teilweise im Bereich oberhalb der Wanne mit feuer­ festem Material auszukleiden.

Nach einem ganz wesentlichen Merkmal der Erfindung ist das Gebläse zum Zuführen der Außenluft und ggf. von rückgeführtem Rauchgas ein Gebläserad mit einer zentralen Nabe und daran be­ festigten beweglichen Gliedern. Ein derartiges Gebläserad ist in der älteren Patentanmeldung P 38 16 725.5 beschrieben. Bei kleineren Anlagen kann auch ein an sich bekanntes Flügelrad verwendet werden.

Mit dem Gebläserad kann auf sehr wirkungsvolle Weise die für das optimale Verbrennen erforderliche schnecken- bzw. schrau­ benförmig an der Innenseite der Kammer sich entlangbewegende Strömung erreicht werden. An der Innenseite der Kammerwandung rotiert damit gewissermaßen ein Luftpolster, das im Zentrum der Kammer eine strudelartige, luftleere Säule erzeugt. Diese Säule erstreckt sich von der Mulde bis zum Flammkanal im Be­ reich der Austrittsöffnung. Die Verbrennung erfolgt so in einer wirbelsturmartigen Gasströmung im Innenraum der Kammer. Die beim Vergasen freiwerdenden Gase werden vom Zentrum zur Innenwand der Brennkammer gesogen und mit der der Kammer von außen zugeführten Luft optimal für ihre Verbrennung aufberei­ tet. Die sich oben glockenförmig verjüngende Kammer läßt so die Bio- und/oder Feststoffmassen total ausgasen. Durch die wirbelsturmartige Gasführung findet bereits im oberen Teil der Kammer ein erster Abbrand des Gasgemisches statt. Das restliche Gasgemisch brennt im Flammkanal und im Bereich nach der Austrittsöffnung ab. Das Gasgemisch ist dabei so aufberei­ tet, daß eine weitere sekundäre Luftzuführung nicht erforder­ lich ist, um den oben aufgezeigten guten Abbrand zu gewährlei­ sten. Dadurch, daß die von außen zugeführte Luft und ggf. das rückgeführte Rauchgas nicht direkt durch die Wanne und damit durch das Brennmaterial hindurchgedrückt werden, findet eine Verwirbelung des Brennmaterials innerhalb der Wanne nicht statt. Der beim Vergasen anfallende Staubanteil ist folglich derart geringfügig, daß er im Anschluß an den Flammkanal nicht mehr als existent nachgewiesen werden konnte.

Ebenso wie das Zuführen von Außenluft ist eine Zuführung von einem bei einem Verbrennungsprozeß, der der vorliegende sein kann, entstandenen Rauchgas problemlos. Die rückzuführenden Rauchgase werden mit dem Gebläse ihrer an der Bodenplatte vor­ handenen Eintrittsöffnungen in die Kammer geführt. Im Rauch­ gas vorhandene NO_x-Werte können somit günstig beeinflußt wer­ den.

Der mit dieser Vorrichtung erfolgende Abbrand läßt sich durch Regulierung der Gaseintrittsöffnungen für die Frischluft und Rauchgasrückführung mittels vorhandener Schieber problemlos vornehmen. Der Verbrennungsprozeß läßt sich ferner durch Ver­ ändern der Rotationsgeschwindigkeit des Gebläserades steuern. Die zugeführte Verbrennungsluft, die von unten um die An­ triebswelle des Gebläserades herum einströmt, verhindert ein starkes Erwärmen sowohl des Gebläserades als auch seines An­ triebsmotors. Die erfolgte Kühlung ist sehr wirkungsvoll, da der untere Bereich der Kammer von den örtlich heißesten Zo­ nen, die sich im oberen Bereich der Kammer befinden, extrem weit entfernt ist. Der Antriebsmotor kann damit an der kühl­ sten Stelle der Vorrichtung plaziert werden. Auch bei Still­ stand des Gebläses kann die Abstrahlwärme den Antriebsmotor kaum erwärmen, da die für einen Schlummerbrand durch Thermik in der Kammer benötigte Verbrennungsluft über die Eintritts­ öffnungen angesaugt wird.

Durch die rotierende Gassäule im Inneren der Brennkammer, die durch ein entsprechend rotierendes Einleiten von Außenluft be­ wirkt wird, entsteht in der Kammer ein Oberdruck. Die Größe dieses Überdruckes kann durch Regulierung der Umdrehungsge­ schwindigkeit des Gebläserades auf einfache Weise festgelegt werden. Infolge dieses Oberdruckes wird der Verbrennungspro­ zeß mit Überdruck gefahren. Ein Abbrand der Brennmaterialien ist daher etwa dreimal so schnell wie er beim Stand der Tech­ nik möglich ist. Dies ist bisher nicht möglich gewesen, da der Abbrand im Stand der Technik mit Unterdruck stattfindet.

Die Vorrichtung kann an herkömmlich gebaute Abhitzekessl ange­ flanscht werden, so daß dadurch eine problemlose Gewinnung der beim Abbrand entstehenden Wärme erfolgen kann. Die Wärme­ gewinnung kann dabei durch den günstigen Verbrennungsprozeß sehr rasch einsetzen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind den in den Ansprüchen weiterhin aufgeführten Merkmalen sowie dem nachfol­ genden Ausführungsbeispiel zu entnehmen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird im folgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung,

Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie I-I der Fig. 1,

Fig. 3 einen Längsschnitt gemäß Linie III-III in Fig. 1 und Fig. 2 und

Fig. 4 einen Längsschnitt gemäß Linie IV-IV in Fig. 1 und Fig. 2.

Wege zur Ausüfhrung der Erfindung

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zum Verbrennen von Bio- und Feststoffmassen besitzt ein äußeres, kreiszylindrisches Gehäuse 12, das aus einem Stahlmantel gebildet ist. Die Innen­ seite dieses Gehäuses 12 ist mit einem feuerfesten Material 14 wie beispielsweise Schamotte verkleidet. Im unteren Be­ reich der Vorrichtung ist die Innenseite 16 der Schamotte 14 ebenfalls im Querschnitt kreiszylindrisch ausgebildet. Nach oben hin weist die Innenseite eine konzentrische Verjüngung 18 zu der im Gehäuse 12 zentrisch vorhandenen Längsachse 20 auf. An diesen verjüngten Bereich 18 schließt sich eine zen­ trische Öffnung 22 an, die in einen Flammkanal 24 einmündet.

Im unteren Bereich des Gehäuses 12 und seiner Schamotte­ schicht 14 ist eine Wanne 26 vorhanden. Diese Wanne weist eine umlaufende Seitenwandung 28 auf, die im Grundriß eben­ falls kreisförmig ist und einen konstant breiten Spalt 30 zur Innenseite 16 freiläßt.

Durch diese Seitenwandung 28 dringt ein durch das Gehäuse 12 seitlich hindurchragendes Rohr 32 hindurch. Dieses Rohr 32 stellt zusammen mit der in seinem Inneren vorhandenen Schnec­ ke 34 einen Schneckenförderer 36 dar, mit Hilfe dessen von außen die zum Verbrennen vorgesehenen Bio- bzw. Feststoffmas­ sen in die Wanne 26 hineingefördert werden können.

Dem Schneckenförderer 36 gegenüberliegend ist eine Rinne 38 innerhalb der Seitenwandung 28 vorhanden. In diese Rinne ragt eine weitere Schnecke 40 hinein, die zum Austragen der in der Rinne vorhandenen Asche verwendet wird. Auch diese Schnecke 40 durchdringt das Gehäuse 12. In Richtung zu dieser Rinne 38 hin ist der Boden 42 der Wanne 26 rampenförmig 44 ausgebil­ det. Beim Abbrennen der in der Wanne 26 vorhandenen Brennmas­ sen wird die dabei entstehende Asche durch das durch den Schneckenförderer nachgeförderte Brennmaterial über die Rampe 44 in die Rinne 38 hineingeschoben. Aus dieser Rinne wird die Asche durch die Schnecke 40 aus der Vorrichtung herausgeführt und beispielsweise in einen Sammelbehälter hinein gefördert. Damit beim Hineinfördern von Brenngut durch den Schneckenför­ derer 36 in die Wanne 26 hinein letzterer sich nicht ver­ schiebt, ist die Wanne 26 mit dem Schneckenförderer 36 fest verbunden.

Unterhalb des Bodens 42 der Wanne 26 ist ein sich nach unten hin konzentrisch verjüngendes Gebläsegehäuse 50 vorhanden, das an dem äußeren Stahlmantel 12 angeflanscht ist. Die Boden­ platte 52 dieses Gehäuses 50 weist eine zentrische Öffnung 54 auf. Durch diese Öffnung 54 kann Außenluft und ggf. über einen seitlichen Kanal 56 rückgeführtes Rauchgas von unten in die Vorrichtung 10 eingeführt werden.

Dieses Gas (Außenluft, Rauchgas) wird durch ein Gebläserad 60 in den zwischen der Seitenwandung 28 und der Innenseite 16 vorhandenen Ringraum 62 um die Längsachse 20 rotierend einge­ trieben. Das Gebläserad ist an einer durch die Öffnung 54 nach unten hindurchragenden Welle 64 befestigt. An dieser Wel­ le ist eine Nabe 66 befestigt, an der zwei Kränze 68, 70 von Kettengliedern 72 vorhanden sind. Die einzelnen Kettenglieder 72 bestehen aus einzelnen Ösen, die rechtwinklig zueinander ineinandergehängt sind. Beim Rotieren richten sich diese Krän­ ze nahezu horizontal aus, so daß die in der Zeichnung darge­ stellten horizontalen Kränze 68, 70 entstehen. Die äußersten Glieder 72 dieser Kränze 68, 70 reichen fast bis an das Gehäu­ se 50 heran. Der untere Kranz ist im Durchmesser etwas klei­ ner als der obere und paßt sich so der sich verjüngenden Quer­ schnittsform des Gehäuses 50 an.

Die untere Gehäuseöffnung 54 läßt sich durch zwei gegenläufig bewegbare Schieber 58, 59 unterschiedlich weit öffnen bzw. verschließen.

Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung weist einen In­ nenraum auf, der im Bereich der kreiszylindrischen Innenwand 16 einen Durchmesser von 250 mm aufweist. Die Bodenplatte 42 ist dabei von der Gasaustrittsöffnung 22 etwa 230 mm ent­ fernt. Bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit von etwa 2000 U/min beim Verbrennen von Holzpellets im Durchmesser von 60 mm, von etwa 1600 U/min beim Verbrennen von stückigem Holz und von etwa 2800 U/min beim Verbrennen von Müllpellets mit einem Durchmesser von 20 mm haben sich die eingangs erwähnten CO-Werte zwischen 0,00% und 0,04% ergeben. Die sich im An­ schluß an den Flammkanal ergebenden Temperaturgaswerte lagen dabei zwischen 238°C und 271°C bei den Holzpellets, zwi­ schen 152°C und 311°C bei stückigem Holz und zwischen 248°C und 325°C bei den Müllpellets. Die Außentemperatur lag zwischen 25°C und 31°C.

Claims (20)

1. Vorrichtung (10) zum Verbrennen von Bio- und/oder Fest­ stoffmassen mit

• - einer Entgasungs- und Flammkammer,
• - einer Einrichtung zum Zuführen von Außenluft,
• - einem Gebläse für die Außenluft,
• - einer Einrichtung zum Zuführen der Brennmateralien in eine Wanne hinein,
• - einer Einrichtung zum Entfernen der beim Verbrennen anfal­ lenden Asche, dadurch gekennzeichnet, daß
• - die Entgasungskammer (12) auch die Flammkammer (12) ist,
• - ein Ringraum (62) zwischen der seitlichen Wand (28) der Wanne (26) und der Innenseite (16) der Kammerwand (16) vorhan­ den ist,
• - durch diesen Ringraum (62) hindurch der Bereich oberhalb der Wanne mit dem Bereich unterhalb der Wanne strömungsmäßig verbunden ist,
• - oberhalb der Wanne (26) eine mittige Austrittsöffnung (22) in der Kammerwandung (18) vorhanden ist,
• - die Kammerwandung (18) zur Austrittsöffnung (22) hin eine konzentrische Verjüngung (18) aufweist,
• - unterhalb der Wanne (26) ein Gebläse (60) vorhanden ist, mit der die in den Bereich unterhalb der Wanne von außen ange­ saugte Luft durch den Ringraum (62) derartig durchtreibbar ist, daß die Luft die Wandung (28) der Wanne (26) schnecken­ förmig umströmt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (12) in vertikaler Ausrichtung ausgebildet ist, wobei die Luft-Ansaugöffnung (54) im unteren Bereich der Kam­ mer (12), unterhalb der Wanne (26), und die Gas-Austrittsöff­ nung (22) im obersten Bereich der Kammer (12) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Kammer (12), senkrecht zur Flammenrich­ tung rund oder oval ist, mit einer konzentrischen Verjüngung (18) im Anschlußbereich zur Austrittsöffnung (22) hin, d. h. daß keine scharfen ein- oder ausspringenden Ecken in der In­ nenseite (16, 18) der Kammerwandung vorhanden sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenseite (16, 18) der Kammer (12) zumindest teilweise im Bereich oberhalb der Wanne (26) mit feuerfestem Material (14) ausgekleidet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Zuführeinrichtung für das Brennmaterial zumindest ein Schneckenförderer (36) oder eine Zylinder-Kolben-Anordnung vorhanden ist, mit der das Brennmaterial kontinuierlich oder beliebig taktweise der Wanne (26) zuführbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführeinrichtung (36) fest mit der Wanne (26) verbunden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanne eine Überlaufrinne (38) für die Asche besitzt, die der Zuführeinrichtung (36) gegenüberliegt, wobei die Überlauf­ rinne innerhalb der Wannenwandung (28) vorhanden ist, so daß der Ringkanal (62) auch um die Überlaufrinne (38) herumführt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ascheaustrageschnecke (36) oder ein Ascheaustrageschie­ ber von außen her in die Überlaufrinne (38) so hineinragt, daß die in der Überlaufrinne (38) vorhandene Asche aus der Kammer (12) entfernbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenluft von einer Brennvorrichtung rückgeführtes Rauch­ gas beigemischt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Luftansaug- und/oder Gas-Austrittsöffnung (54, 22) verstellbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Luftansaugöffnung (54) durch zumindest einen vorzugsweise zwei gegenläufig bewegbare Schieber (58, 59) ver­ änderbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläse ein Gebläserad (60) mit einer zentralen Nabe (66) und daran befestigten beweglichen Gliedern (68, 70, 72) be­ sitzt, nach P 38 16 725.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß außen an der Nabe (66) mehrere, insbesondere über den Umfang der Nabe gleichmäßig verteilte Glieder (68, 70) angehängt sind, die je mehrere, nach Art von Kettenstücken mit gegensei­ tiger Beweglichkeit aneinandergehängte Gliederelemente (72) besitzen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Glieder (72) in zwei oder mehreren parallel zueinander angeordneten Kränzen (68, 70) vorhanden sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei Kränze durch scheibenflächige Elemente beweg­ lich verbunden und aneinandergekoppelt sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläserad (60) von einer sich von der Wanne (26) zu der Ansaugöffnung (54) hin konzentrisch verjüngenden Wandung (50) umgeben ist, die von unten her an der Außenseite (16) des Ringraumes (62) anschließt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein regelbarer elektrischer Antriebsmotor für das Gebläserad (60) vorhanden ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sein Innenraum etwa 250 mm im Durchmesser und 230 mm in der Höhe groß ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanne etwa 150 mm unterhalb der Austrittsöffnung (22) vor­ handen ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläse ein Flügelrad ist.