AT3840U1 - Verfahren zum verbrennen und vergasen von festen biomassen in einem brennraum - Google Patents

Abstract

Aufgrund hoher Kohlendioxidemissionen bei Verbrennung von primären Energieträgern werden alternativ dazu zunehmend Biomassen zur Kraft- und Wärmeerzeugung verbrannt, bzw. vergast. Bei einem Verfahren zum Verbrennen und Vergasen von festen Biomassen in einem Brennraum (6) wird in Abhängigkeit vom Abbrand in Ballen (1) gepreßter Biomasse durch gezieltes Auftreffen von Luftstrahlen mindestens ein Brennfleck erzeugt. Dabei werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die die Luftstrahlen steuernden Luftdüsen (9) relativ zueinander bewegt, sodaß durch Weiterwandern des Brennfleckes auf den bzw. in den Biomasseballen (1) diese abgebrannt werden. Um den ständigen Nachschub von brennbaren Biomasseballen (1) zu ermöglichen, mündet ein etwa waagerechter Vorschubkanal (5) in einen Brennraum (6). Die die Luftstrahlen steuernden Luftdüsen (9) sind dabei gegenüber diesem Vorschubkanal (5) angeordnet. Im Bereich der Luftdüsen (9) ist ein Zündschirm (8) angeordnet, der die Verbrennung der Biomassen dadurch unterstützt, daß er Verbrennungswärme des Biomasseballens (1) zurückstrahlt. Durch ein Vorschieben des Ballens (1) wird jeweils die dem Zündschirm (8) naheliegende Seite des Ballens (1) verbrannt, respektive vergast. Nach der Verbrennung, respektive Vergasung fällt die Asche in einen Aschetrichter (12) und kann nach einer Nachoxidation entnommen werden. Das frei werdende Gas gelangt vom Brennraum (6) in einen Kessel (18), wo die Rauchgase abgekühlt und deren Wärme genützt werden kann.

Description

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  Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbrennen und Vergasen von festen Biomassen in einem Brennraum. 



  Es ist schon seit langem das Problem bekannt, dass insbesonders die Industriestaaten zuviel Kohlendioxid emittieren. Von vielen Nationen wurde die Nutzung von festen Biomassen zur Kraft- und Wärmeerzeugung als wichtiger Beitrag zur Verminderung dieses Treibhausgases erkannt. 



  Die Nutzung von festen Biomassen, insbesondere von Stroh und Ganzjahrespflanzen, ist allerdings technisch aufwendig und teuer. Bei der Handhabung und Lagerung ist zunächst die   geringe Energiedichte dieser Brennstoffe nachteilig ; werden diese Brennstoffe in   der Regel schon bei der Ernte kompaktiert, also z. B. in stapelbare Ballen gepresst. Auch Altpapiere und Altkartons werden, sofern ihre Qualität derart gering ist, dass sie besser dem Papierrecycling-Prozess entzogen werden sollten, in Ballen gepresst und zur weiteren Behandlung zur Verfügung gestellt.

   Von der Verbrennungstechnik gesehen haben diese Brennstoffe, insbesondere Stroh die unangenehme Eigenschaft, dass die Verbrennung entweder sehr träge oder galoppierend erfolgt (Strodhfueer") Bei bekannten Verfahren zum Verbrennen von festen Biomassen werden die bei der Ernte kompaktierten Ballen in Scheiben geschnitten und in der Folge werden diese Scheiben auf einem Rost verbrannt. 



  Da Biomasse dazu neigt, entweder sehr schlecht zu brennen, besonders wenn sie sehr feucht oder das Haufwerk schlecht gasdurchlässig ist, oder fast schlagartig zu verbrennen, ist eine spezielle Rostkonstruktion mit einer ständigen Durchmischung des Brenngutes vorzusehen, ähnlich wie bei einem Müllkessel. Diese Rostkonstruktionen, wie z. B. der Walzenrost, der Schürrost, etc. sind mechanisch aufwendig und teuer. Die gesamte Rostfläche ist auf eine niedrige Luftdurchströmgeschwindigkeit auszulegen, weil sonst örtlich die leichte Biomasse davonfliegen kann und sich sogenannte Durchblaser bilden (das sind Rostflächenbereiche, die kein Brennstoffbett aufweisen und ungenutzt von einer Luftmenge - die zur Verbrennung vorgesehen wäre - durchströmt werden).

   Weiters ist der grosse Feuerraum zu erwähnen, der mit einer Ausmauerungsmasse versehen ist, um die Zündung des Brennstoffes zu 

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 begünstigen. Das Resultat sind teuere, schwere und auch platzaufwendige Kessel, die auch eine extrem lange Vorlaufphase bis zur Vollast benötigen. 



  Bei einem weiteren bekannten Verfahren werden die Ballen bzw. die Biomasse weitgehend zerkleinert und pulverisiert. Nach einer eventuellen Trocknung wird die so aufbereitete Biomasse einer besonderen stationären oder zirkulierenden Feuerung zugeführt. Anders als bei Kohle ist aber diese Aufbereitung extrem teuer und energieaufwendig, sodass es sich hier um ein selten angewendetes und für Kleinanlagen in der Regel zu aufwendiges Verfahren handelt. 



  Die Erfindung hat es sich daher zum Ziel gesetzt, ein Verfahren zum Verbrennen und Vergasen von festen Biomassen in einem Brennraum zu schaffen, bei dem weder aufwendige Kesselkonstruktionen vonnöten sind, noch eine besondere Vorbereitung der Biomassen vor der Verfeuerung notwendig ist. 



  Erreicht wird dies dadurch, dass in Abhängigkeit vom Abbrand in Ballen gepresster Biomasse durch gezieltes Auftreffen von Luftstrahlen mindestens ein Brennfleck erzeugt wird, sodass durch Weiterwandem dieses Brennfleckes auf den bzw. in den Ballen dieser abgebrannt wird. 



  Um eine vollständige Verbrennung des Ballen zu gewährleisten ist es zweckmässig, dass sich der Ballen und die die Luftstrahlen steuernden Luftdüsen relativ zueinander bewegen. 



  Um den Nachschub von brennbaren Biomassen zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, dass in einen Brennraum ein etwa waagrechter Vorschubkanal für den Ballen mündet. Dabei sind gegenüber diesem Vorschubkanal die die Luftstrahlen steuernden Luftdüsen angeordnet. Da die zu vergasenden oder zu verbrennenden festen Biomassen in der Regel aus Stroh und Ganzjahrespflanzen gepresst werden, sind die dabei entstehenden Ballen kein vollständig homogenes Material und es besteht die Gefahr, dass sich aussen liegende Partikel vom Ballen lösen. Um nun ein leichtes und vollständiges Vorschieben der Biomassen im Vorschubkanal zu gewährleisten, ist es im Rahmen der Erfindung zweckmässig, wenn dieser Vorschubkanal im Querschnitt die Form eines auf die Spitze gestellten Rechteckes, vorzugsweise eines Quadrates aufweist. 

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  Zum Zwecke der Initialzündung und zur Unterstützung der Verbrennung der Biomassen kann im Bereich der Luftdüsen ein Zündschirm angeordnet sein. 



  Da durch das gezielte Auftreffen von Luftstrahlen mindestens ein Brennfleck erzeugt wird, der zum Verbrennen respektive Vergasen der Biomassen führt, ist ein Weiterwandern dieses Brennfleckes auf den bzw. in den Ballen für eine möglichst vollständige Verbrennung notwendig. Um ein für den Abbrand besonders vorteilhaftes Brennverhalten zu erreichen, ist es im Rahmen der Erfindung möglich, dass die Luftstrahlen gegenüber der Vorschubrichtung des Ballens geneigt sind. 



  Zum gleichen Zweck sind bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung mehrere übereinander angeordnete Luftdüsen einem Steuerorgan zugeordnet, das die Luftdüsen der Reihe nach mit Luft beaufschlagt. Zusätzlich ist es   für   ein besonders rückstandsfreies Abbrennen (Vergasen) möglich, wenn die Luftdüsen der Reihe nach von oben nach unten in Abhängigkeit vom Abbrand der Biomassen mit Luft beaufschlagt werden. 



  In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass gegenüber dem ruhenden Ballen zu diesem hin bewegbare Luftdüsen angeordnet sind. Auch bei dieser Ausführungsform wird eine relative Bewegung des Ballens und der Luftdüsen erreicht, sodass es zu einem gewünschten möglichst rückstandsfreien Verbrennen oder Vergasen der Biomassen kommt. 



  Nachstehend ist die Erfindung anhand von 5 Ausführungsbeispielen beschrieben, ohne auf   diese Beispiele beschränkt zu sein. Dabei stellt Fig. 1 einen Schnitt durch eine   erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens in einer ersten Ausführungsform dar; Fig. 2 zeigt die selbe Vorrichtung mit einem zum Abbrand   eingeschobenen Ballen ; zeigt Fig. 3 einen Schnitt durch eine Vorrichtung zur   Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens dieser ersten Ausführungsform entlang der Linie A-A in Fig. 1.

   Die Fig. 4, 5,6 und 7 stellen jeweils weitere Schnitte durch Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens in jeweils weiteren Ausführungsformen dar. 

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 Gemäss der Fig. 1 wird ein aus Biomasse gepresster Ballen 1 im Ganzen über ein Verschlussorgan 2 in einen Schleusenraum 3 der erfindungsgemässen Vorrichtung gebracht. 



  Unter Zuhilfenahme einer Vorschubeinrichtung 4 wird der Ballen 1 durch einen Vorschubkanal 5 kontinuierlich oder schrittweise gegen den Brennraum 6 geschoben. 



  Nicht dargestellt ist, dass der Vorschubkanal 5 an seiner Aussenseite z. B. mit kalter Verbrennungsluft oder mit Wasser gekühlt werden kann. 



  Der Vorschubkanal 5 wird über eine Zuleitung 7 mit einem innerten Gas, beispielsweise mit Dampf oder einem Rauchgas, beaufschlagt, um ein Zurückbrennen in den Schleusenraum 3 zu vermeiden. 



  Gemäss der Fig. 2 ist der Ballen 1 in Verbrenn- respektive Vergasstellung in den Brennraum 6 eingeschoben. 



  Im Brennraum 6 ist gegenüber der Stimfläche des eingeschobenen Ballens 1 ein Zündschirm 8 angeordnet. Dieser Zündschirm 8, der für eine Primärentzündung beheizbar ausgebildet sein kann, ist eine nur schwach gekühlte Fläche mit sehr gutem Speichervermögen. Bei praktischen Versuchen hat sich dickes feuerfestes Blech und eine feuerfeste Ausmauerungsmasse bewährt. Durch die teilweise oder vollständig stattfindende Verbrennung wird der Zündschirm 8 heiss und es wird dadurch das Zurückwerfen von Strahlungswärme auf den Ballen 1 ermöglicht. 



  Im Zündschirm 8 sind Luftdüsen 9 angeordnet, mittels derer Luftstrahlen auf die Stirnfläche des Ballens 1 gelenkt werden. Die benötigte Luft wird mittels eines Gebläses 10 und einer Luftleitung 11eingebracht. 



  Beim Auftreffen der Luftstrahlen auf die Stirnfläche des Ballens 1 wird dort ein Brennfleck gebildet, wobei die Luftmenge so bemessen ist, dass in der Regel nur eine teilweise Verbrennung, also eine Vergasung stattfindet. Durch ein kontinuierliches oder langsames aber schrittweises Vorschieben des Ballens 1 wird jeweils die dem Zündschirm 8 naheliegende Seite des Ballens 1 verbrannt, respektive vergast. 

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  Unterhalb des Brennraumes 6 befindet sich ein Aschetrichter 12 zum Auffangen der übrig    bleibenden Asche ; Aschetrichter 12 weist zur Nachoxidation der Aschebestandteile am   unteren Ende Ausbrandluftdüsen 13 und darunter eine Ascheschleuse 14 für die ausgebrannte Asche auf. Die Asche kann mit Hilfe dieser Ascheschleuse 14 entnommen werden. 



  Das bei der Verbrennung der Biomassen frei werdende Gas gelangt vom Brennraum 6 über einen Brenngaskanal 15 in einen Nachverbrennungsraum 16. In diesem Nachverbrennungsraum 16 kann über Sekundärluftdüsen 17 im wesentlichen quer zur Hauptrichtung des Gases die Sekundärluft zur vollständigen Nachverbrennung des Gases eingedüst werden. 



  Nach dieser Nachverbrennung werden in an sich bekannter Weise die heissen Rauchgase in einem nur mehr schematisch dargestellten Kessel 18 abgekühlt, wobei die dabei entstehende Wärme genutzt werden kann. 



  Gemäss der Fig. 3 ist ein Ballen 1 in den Vorschubkanal 5 eingeschoben. Dieser Vorschubkanal 5 weist die Form eines auf die Spitze gestellten Quadrates auf. Diese Form des Vorschubkanals 5 ist deswegen zweckmässig, da der Ballen 1 auf den unteren Seiten des Vorschubkanals 5 aufliegt und sohin lediglich im oberen Bereich ein Freiraum verbleibt Lose und abgelöste Brennstoffteile des Ballens 1 sammeln sich dadurch im Trog des Vorschubkanals 5 und werden vom nächsten Ballen in den Brennraum 6 geschoben, um dort verbrannt oder vergast zu werden. 



  Gemäss der Fig. 4 ist ein Ballen 1 in den Brennraum 6 eingeschoben. Mittels eines Primärluftgebläses 19 wird über eine Luftleitung 20 einer Strömungsweiche 21 Luft zugeführt. Diese Strömungsweiche 21 verteilt alternierend die einzublasende Luft in die Primärluftleitungen 22', 22" und 22"'. Mittels schematisch dargestellter Trimmklappen 23 kann die Menge des zugeführten Luftstromes individuell verändert werden. 



  Aufgrund des abwechselnden Einblasens von Luft durch die Luftdüsen 9', 9" und 9"' werden auf dem Ballen 1 mehrere Brennflecke erzeugt. Wird durch eine Luftdüse   9',   9" oder 9''' auf 

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 einen Brennfleck Luft zugeführt, wird zunächst ein örtliches Feuer angefacht, das bei Einblasen von Luft durch eine andere Luftdüse 9', 9" oder 9''' lediglich dahinglost bis es durch neuerliches Einblasen von Luft durch die selbe Luftdüse 9', 9" oder 9''' wie anfänglich wieder angefacht wird. Durch diese Ausführungsform entsteht quasi ein   "wandernder"   Brennfleck. 



  In einer weiteren Ausführungsform (nicht dargestellt) kann die Funktion der rotierenden Strömungsweiche 21 durch ein System von individuell angesteuerten Klappen wahrgenommen werden. 



  Gemäss der Fig. 5 ist ein Ballen 1 in den Brennraum 6 eingeschoben. Die Luftdüsen 24 sind bei dieser Ausführungsform nicht direkt gegenüber dem Vorschubkanal 4 angeordnet, sondern sie sind etwas in Richtung des Nachverbrennungsraumes 16 verschoben. Die Luftdüsen 24 sind nach unten geneigt, sodass auch die Luftstrahlen der eingeblasenen Luft gegenüber der Vorschubrichtung des Ballens 1 geneigt sind. 



  Bei einer nicht dargestellten weiteren Ausführungsform könnten die Luftdüsen 24 nicht in Richtung des Nachverbrennungsraumes 16 versetzt sein, sondern in Richtung des Aschetrichters 12, wobei in dieser Ausführungsform die Luftdüsen 24 nach oben in Richtung des Ballens 1 geneigt wären. 



  Nach Fig. 6 wird ein Ballen 1 mittels eines Verschlussorganes 25 in einen Schleusenraum 26 gebracht. Eine Vorschubeinrichtung 27 schiebt den Ballen 1 auf einen Rost 28' des Brennraumes 28. Bei dieser Ausführungsform wird der Ballen 1 vollständig (und nicht sukzessive entsprechend dem Abbrand des Ballens 1) in den Brennraum 28 eingeschoben. 



  Die Beaufschlagung mit Luftstrahlen erfolgt mittels Luftdüsen 29, wobei die eingeblasene Luft den Luftdüsen 29 über eine Primärluftleitung 30 zugeführt wird. Graduell der bereits erfolgten Verbrennung bzw. Vergasung des Ballens 1 werden die Luftdüsen 29 in Richtung des immer kleiner werdenden Ballens 1 bewegt. Zu diesem Zweck weist die Primärluftleitung 30 ein (nur schematisch dargestelltes) teleskopartiges Stück 31 auf. 



  Gemäss der Fig. 7 ist ein Ballen 1 in einen   Brennraum   28 eingeschoben. Luftdüsen 32'und 32" sind nach unten geneigt und werden in Abhängigkeit vom Abbrand des Ballen 1 von oben 

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 nach unten mit Luft beaufschlagt. Dies hat zur Folge, dass die eingeblasene Luft jeweils in einem ähnlichen Abstand auf die Oberfläche des Ballens 1 trifft, und einen gleichmässigen Abbrand verursacht.

Claims (8)

1. ANSPRÜCHE 1. Verfahren zum Verbrennen und Vergasen von festen Biomassen in einem Brennraum, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit vom Abbrand in Ballen (1) gepresster Biomasse durch gezieltes Auftreffen von Luftstrahlen Brennflecke erzeugt werden, sodass durch Weiterwandern der Brennflecke auf den bzw. in den Ballen (1) dieser abgebrannt wird, wobei der Ballen (1) und die die Luftstrahlen steuernden Luftdüsen (9; 9', 9", 9"'; 24 ; 29 ; 32', 32") relativ zueinander bewegt werden.
2. 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einen Brennraum (6) ein etwa waagrechter Vorschubkanal (5) für den Ballen (1) mündet und gegenüber dem Vorschubkanal (5) die die Luftstrahlen steuernden Luftdüsen (9; 9', 9", 9'''') angeordnet sind.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Luftdüsen (9; 9', 9", 9'''; 24) ein Zündschirm (8) angeordnet ist.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorschubkanal (5) im Querschnitt die Form eines auf eine Spitze gestellten Rechteckes vorzugsweise Quadrates aufweist.
5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftstrahlen gegenüber der Vorschubrichtung des Ballens (1) geneigt sind.
6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehreren übereinander angeordneten Luftdüsen (9', 9", 9"ein Steuerorgan zugeordnet ist, das die Luftdüsen der Reihe nach mit Luft beaufschlagt.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ballen (1) ruht und in Abhängigkeit von dessen Abbrand die Luftdüsen (32', 32'') der Reihe nach von oben nach unten mit Luft beaufschlagt werden. <Desc/Clms Page number 9>
8. 8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass gegenüber dem ruhenden Ballen (1) zu diesem hin bewegbare Luftdüsen (29) angeordnet sind.