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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verwertung von biogenen Stoffen, bei dem die biogenen Stoffe in Ballenform einem Kessel zur Verbrennung zugeführt werden.
Ferner ist Gegenstand der Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Es ist bekannt, dass im landwirtschaftlichen Bereich halmgutartige Pflanzen, beispielsweise Getreide, Triticale, Roggen, Mais entweder vom Korn getrennt oder zur Gänze zu Ballen gepresst werden. Weiters ist bekannt, dass üblicherweise die Form der Ballen rund oder quaderförmig sein kann. Aber auch andere Materialien werden zu Ballen gepresst oder gebündelt, z. B. Papier oder Gewebestoffe.
Dieser Vorgang ist vorteilhaft, weil dadurch der Transport und die Lagerung von biogenen Stoffen effizienter und der Manipulationsaufwand verringert wird.
Die Verwertung der Ballen ist vielfältig. So finden die getrockneten, vom Korn getrennten Halme, das Stroh, als Futtermittel oder Streu in der Landwirtschaft Verwendung. Gewebe und Papier wird aufbereitet und einer Wiederverwertung zugeführt. Die früher oft geübte Praxis, Stroh einfach an Ort und Stelle zu verbrennen, ist aufgrund der Umweltbelastung verboten.
Der schädliche Einfluss der dabei freigesetzten unverbrannten Kohlenwasserstoffe ist bekannt.
Nur ein untergeordneter Anteil wird einer thermischen Verwertung zugeführt. Als wesentlicher Grund sind einerseits die hohen Anforderungen an Qualität (trockene Umgebung) und Grösse (geringe Energiedichte des Lagergutes) des Lagerraumes, andererseits die aufwendige Aufbereitung der gepressten Ballen zu einem schüttgartartigen Brennstoff, wie es beispielsweise bei Rost- oder Wirbelschichtfeuerungsanlagen Stand der Technik ist, zu nennen.
Um eine möglichst vollständige, schadstoffarme und rückstandsfreie Verbrennung zu gewährleisten, sind aufwendige, voluminöse Kesselkonstruktionen notwendig. Diese Kessel haben aufgrund der massiven Ausmauerungsmasse ein sehr träges, unwirtschaftliches Betriebsverhalten, das beispielsweise durch die lange Aufheizphase charakterisiert ist. Die hierfür hohen Investitionskosten amortisieren sich in der Regel nur bei sehr grossen, zentralen
Anlagen. Dies widerspricht wiederum dem allgemeinen Wunsch, biogene Brennstoffe unabhängig von ihrer Form möglichst dezentral, in kleineren und mittleren Anlagen,
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beispielsweise Nahwärmeversorgungsanlagen, zu verbrennen, so dass der Aufwand für die Brennstofftransporte so gering wie möglich gehalten wird.
Der zu Ballen gepresste Brennstoff weist viele inhomogene Bereiche auf, welche durch höheren Wassergehalt, Verunreinigungen, unterschiedliche Zersetzungsgrade und einem, aufgrund seiner schlechten Brennstoffeigenschaften niedrigen Heizwert gekennzeichnet sind.
Ein Verbrennungssystem, das nicht sensibel genug auf diese Inhomogenitäten reagieren kann, verursacht einen unvollständigen Ausbrand und einen dadurch erhöhten Schadstoffausstoss.
Die gegenständliche Erfindung hat es sich zum Ziel gesetzt, Ballen aus biogenen Stoffen kostengünstig, ohne hohen Aufbereitungs- und Manipulationsaufwand durch vollständige Verbrennung, unabhängig von deren Qualität, beispielsweise Wassergehalt, Verunreinigungen oder Zersetzungsgrad, thermisch zu verwerten.
Erreicht wird dies dadurch, dass der Abbrand der biogenen Stoffe abschnittsweise überwacht und die Wärmestrahlung der glühenden bzw. brennenden Abschnitte mittels Spiegeln zu den nicht glühenden bzw. brennenden Abschnitten gelenkt wird.
Es ist bekannt, dass jeder Körper ständig strahlt. Bei Temperaturen unter etwa 500 C enthält diese Strahlung kaum sichtbares Licht (Ultrarotstrahlung). Mit steigender Temperatur wird in steigendem Mass auch sichtbares rötliches Licht emitiert, es wächst also der Anteil an Strahlung kürzerer Wellenlänge. Weil die spektrale Zusammensetzung dieser Strahlung massgeblich von der Temperatur abhängt, nennt man diese "Wärmestrahlung".
Trifft die Wärmestrahlung auf einen Körper, so wird die Strahlung teilweise reflektiert bzw. durchgelassen. Ein weiterer Anteil der auftreffenden Strahlung wird von der Reflektionsfläche des Körpers bzw. Spiegels absorbiert. Die Reflektionsflächen der Spiegel können verschiedenartig geformt sein, beispielsweise in Form einer ebenen Fläche, eines Kugelsegmentes, einer Parabel, eines sphärischen Hohlspiegels oder auch andere von einer Kugel abweichende Formen (asphärische Flächen) sind möglich.
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Als Material für die Reflektionsflächen bzw. Spiegel eignen sich vorzugsweise hitzebeständige keramische Werkstoffe.
Die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens könnte an sich durch eine Bedienungsperson erfolgen. Zweckmässig sind jedoch zur Überwachung des Abbrandes der biogenen Stoffe in an sich bekannter Weise optische Detektoren angeordnet, die in Abhängigkeit vom Abbrand der biogenen Stoffe vorzugsweise schwenkbar gelagerte Spiegel steuern, um die Wärmestrahlung der glühenden bzw. brennenden Abschnitte zu den nicht glühenden bzw. brennenden Abschnitten zu lenken.
Die Verwendung optischer Detektoren in Kesseln ist bekannt. Nach einem von der TU Graz veröffentlichten Vorschlag sollen sie das Glutbett in einem Vorschubrost überwachen. Dabei wird das auf die Detektoren auftreffende Licht über hochtemperaturbeständige Lichtleitstäbe zu einer Auswertelektronik geleitet. Lichtempfindliche Sensoren wandeln die vom Detektor erfasste Strahlung in ein proportionales Stromsignal um. Die Erfindung nützt nun dieses Stromsignal zur Steuerung der Spiegel.
Im Rahmen der Erfindung ist es ferner vorteilhaft, wenn unterhalb der im Brennraum des Kessels mündenden Zufuhr der Ballen der biogenen Stoffe ein Rost, vorzugsweise ein in einen Ascheaustrag mündender Vorschubrost, angeordnet ist.
Das erfindungsgemässe Verfahren bzw. die Vorrichtung eignet sich besonders für die gleichzeitige Verbrennung mehrerer Ballen, da das vorbeiströmmende Gemisch aus heissen Rauchgasen und Verbrennungsluft zusammen mit den Reflektoren die Trocknung und Pyrolyse der noch nicht vollständig in gasförmige und feste Bestandteile übergeführten Biomasse unterstützt. Dies wird durch benachbarte, brennende Ballenteile, vom Treppenrost und teilweise durch Rezirkulation erreicht. Damit unterstützt die gezielt gerichtete Reflektion die Trocknung und Vergasung der biogenen Stoffe. Die dabei freigesetzen Kohlenwasserstoffverbindungen werden in der Nachverbrennungszone durch Zuführung der für die vollständige Oxydation notwendigen Verbrennungsluft verbrannt.
Durch die Kombination von starren und beweglichen Reflektionsflächen bzw. Spiegel kann
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die Anzahl, Qualität und die Lage der eingebrachten Ballen variiert und dem Wärmebedarf der angeschlossenen Abnehmer angepasst werden.
Die von den optischen Detektoren überwachte Verbrennung wird über einen Steuerungs- algorithmus sowohl mit der Balleneinschubgeschwindigkeit als auch mit der Prioritäts- zuordnung der von den Reflektionsflächen bzw. Spiegel zu bestrahlenden Bereiche verknüpft.
Dadurch wird eine vollständige und schadstoffarme Oxydation der Biomasse erreicht Zwischen der im Brennraum des Kessels mündenden Zufuhr der Ballen der biogenen Stoffe und dem Rost kann eine Brennstoffzuführung, z. B. eine Förderschnecke, zur Zuführung von nicht in Ballenform gepressten Brennstoffen angeordnet sein.
Nachstehend ist die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben, ohne auf dieses Beispiel beschränkt zu sein. Dabei stellt Fig. 1 schematisch einen Schnitt durch einen erfindungsgemäss ausgebildeten Kessel dar und Fig. 2 zeigt ebenfalls schematisch den Strahlengang zwischen einem Spiegelteil und einem Brennstoffballen.
Gemäss Fig. 1 weist ein Kessel 1 zur Zuführung biogener Stoffe einen Zuführschacht la für Brennstoffballen 2 auf. Zufolge der erfindungsgemässen Überwachung des Abbrandes können mehrere Ballen 2 sowohl neben- als auch übereinander eingeschoben werden.
Gegenüberliegend dem Zuführschacht la sind Spiegel 3, 3a angeordnet, wobei, wie in der Zeichnung angedeutet ist, insbesondere der Spiegel 3a über ein Steuergestänge 3b verschwenkbar ist.
Optische Detektoren 4 sind gegen die Brennstoffballen 2 gerichtet und überwachen deren Abbrand.
Unterhalb des Zuführschachtes la ist ein Rost 6 angeordnet, der mit einem Ascheaustrag 7 zusammenwirkt. Zwischen dem Zuführschacht la und dem Rost 6 befindet sich eine im Beispiel als Förderschnecke 5 ausgebildete Brennstoffzuführung.
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In Fig. 2 ist dargestellt, wie die durch die Temperaturstrahlung des Ballens 2 achsenparallel einfallenden Strahlen 8 vom Spiegel 3 (oder 3a) zurückgeworfen und fast in einem Punkt, dem Brennpunkt, gesammelt werden.
Die Brennweite kann dabei so gewählt werden, dass durch Reflektion und Bündelung der Strahlung die Temperatur im Brennpunkt derart gesteigert wird, dass am Brennstoffballen 2 ein sogenannter Brennfleck 9 entsteht. Werden die optischen Dektoren 4 zur Brennstoffüberwachung eingesetzt, so können inhomogene Bereiche des Ballens 2 erkannt, die Reflektionsfläche der Spiegel 3 bzw. 3a gezielt auf derartige Zonen gerichtet und diese somit vollständig verbrannt werden. Damit wird eine gleichmässige thermische Zersetzung des Brennstoffballens 2 in seine flüchtigen und festen Bestandteile erreicht, da die Reflektionsfläche der Spiegel 3, 3a auf jene Ballenbereiche gerichtet wird, die aufgrund minderer Brennstoffqualität mehr Energie für die Zerlegung in gasförmige und feste Bestandteile benötigen.
Desweiteren wird damit weitgehend vermieden, dass nicht vollständig verbranntes Ballenmaterial in die Aschenzone 7 fällt und - thermisch ungenützt - ausgetragen wird.
Die sich trotzdem während des Verbrennungsvorganges lösenden Ballenteile fallen auf den Rost 6, der vorzugsweise als Vorschubrost ausgebildet ist, werden dort vollständig ausgebrannt und als Asche gemeinsam mit den nicht brennbaren festen Bestandteilen über die Ascheaustragung 7 aus dem Brennraum ausgetragen. Der Rost 6 ist beispielsweise so bemessen, dass die durchschnittlich herabfallenden, nicht vollständig verbrannten Ballenteile in dieser Nachverbrennungszone zur Gänze thermisch verwertet werden können. In der Regel wird dieser Rost 6 wesentlich kleiner sein, als es allgemein für die Nennleistung einer derartigen Verbrennungsanlage notwendig wäre.
Ist die Nachverbrennungzone mit einer zusätzlichen Brennstoffzuführung ausgestattet, beispielsweise einer Förderschnecke 5, so kann der Brennraum darüber hinaus für ein breites Brennstoffband, vorzugsweise Hackschnitzel, aber auch Rinde, Altholz, Pellets, etc. genutzt werden. Neben der Vorwärmung des Brennraumes zur Ballenverbrennung kann diese
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Einrichtung auch zur ständigen Zumischung schüttgutartiger Brennstoffe und ersatzweise auch für einen Not- bzw. Gluterhaltungsbetrieb genutzt werden.
Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Abänderungen möglich. So kann die Anzahl und Lage der Reflektionsflächen bzw. Spiegel und die Anzahl und Lage des biogenen Brennstoffes zueinander beliebig sein. Es können auch feste Spiegel angeordnet werden.