AT507098B1 - Verfahren und vorrichtung zur kaskadischen biomasseoxidation mit thermischer rückkopplung - Google Patents

Description

österreichisches Patentamt AT507 098 B1 2010-02-15

Beschreibung [0001] Verfahren und Vorrichtung zur kaskadischen Biomasse-Oxidation mit thermischer Rückkopplung. Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur kaskadischen Biomasse-Oxidation in einem Schalenbrenner mit Abwurffeuerung und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Sie betrifft das Fachgebiet der Heizungstechnik, insbesondere Ofentechnik, für feste Brennstoffe, mit dem Fokus auf Biomasseverbrennungsanlagen, vorzugsweise solche für Pellets- und Hackschnitzel.

[0002] Einsatz findet dieses Verfahren und die Vorrichtung vorzugsweise zur Warmwasserbereitung, zur Heizung und in geringerem Maße zur Stromversorgung durch Kraft-Wärmekopplungen in Ein- und Mehrfamilienhäusern. Das Verfahren dient der optimalen Verbrennung von Brennstoffen in einem Schalenbrenner mit Abwurfsteuerung, vorzugsweise in Feuerungssystemen für Pellets und Hackschnitzel. Die Vorrichtung stellt die zentrale Einrichtung eines Heizkessels dar und erlaubt kompakte, effiziente und rückstandsarme Verbrennung zur Wärmegewinnung.

STAND DER TECHNIK

[0003] Moderne Feuerungssysteme unterscheiden sich im Wesentlichen in Fallsysteme mit und ohne Rost sowie Schubfeuerungen und Retortenfeuerung.

[0004] Bei ersteren fällt der Brennstoff (Pellets, Hackschnitzel, Späne, Getreide und dergleichen) nach Zuführung über eine Förderschnecke durch einen Fallschacht auf einen Rost oder eine Brennerschale mit dem Glutbett. Die Erstzündung erfolgt über ein Heißgebläse oder elektrische Heizvorrichtungen. Die Flammen züngeln nach oben und die heißen Rauchgase werden nach oben über Rauchzüge an die Wärmetauscher abgegeben. Die Eignung für Halmgüter ist nicht gegeben. Die Füllstandsüberwachung ist schwierig (optisch oder durch Lambda-Sonde). Bei waagrechter Anordnung des Brennraumes spricht man von Tunnelbrennern, welche ebenfalls ohne Rost auskommen. In der Verbrennungszone vergasen die Pellets mit Hilfe von Primärluft. Die Sekundärluft wird in einem aufgesetzten Verbrennungszylinder bzw. durch seitlich angeordnete Düsenbohrungen eingeleitet. In der Regel wird auch ein kleinerer Zuluftstrom über den Fallschacht eingeleitet, um die Rückbrandgefahr zu mindern. Bei Kipp- und Rüttelrostanlagen wird die anfallende Aschemenge von Zeit zu Zeit automatisch in den darunter liegenden Aschesammler abgeworfen.

[0005] Generell aber nimmt ein Pelletsofen - nicht zuletzt auf Grund der hohen Brennstoffhomogenität - hinsichtlich geringer Emission und hohem Wirkungsgrad eine Spitzenstellung ein; der Kohlenstoffmonoxidausstoß liegt weit unter den Werten anderer Einzelfeuerstätten und der Wirkungsgrad erreicht Werte von mehr als 90 %.

[0006] Schubfeuerungssysteme unterteilen sich in Seiteneinschub- (Quereinschub-) oder Unterschubsysteme, wo die Beschickung von der Seite oder von unten auf einen Rost (starr, eventuell mit Kippfunktion, oder bewegt als Vorschubrost) oder einen Stahlteller (als Schubboden mit oder ohne Wasserkühlung) erfolgt. Bei Quereinschubfeuerungen wird ein Teil der Verbrennungsluft als Primärluft durch den gegebenenfalls vorhanden Rost, durch Luftdüsen im Seitenbereich der Brennmulde oder - bei Vorschubrostfeuerungen - über stirnseitige Luftkanäle in den Rostelementen eingeblasen. Dabei erfüllt die Primärluft auch die Funktion der Rostkühlung. Die Sekundärluft wird oberhalb des Rostes bzw. des Glutbetts oder vor Eintritt in die Nachbrennkammer zugeführt.

[0007] Bei Retortenfeuerungen wird der Brennstoff mit einer Stockerschnecke von unten der Retorte (Brennstoffmulde) zugeführt. In der Retorte erfolgt die Trocknung, pyrolytische Zersetzung und Vergasung des Brennstoffs sowie der Abbrand der Holzkohle mittels eingeblasener Primärluft. Die Sekundärluft wird vor Eintritt in die heiße Nachbrennzone mit den brennbaren Gasen vermischt. Vorteilhaft ist hier die geringe Trägheit und die Nachwärme zu sehen, jedoch sind hoher Stahlteileverschleiß, unhomogenes Glutbett und Brennstoffverdichtung, hoher Rest-brennstoffanteil in der Asche sowie hohe Schadstoffbildung beim Abstellvorgang nachteilig. 1/9 österreichisches Patentamt AT507 098B1 2010-02-15 [0008] Bei den Verbrennungsprinzipien unterscheidet man Durchbrand, oberer Abbrand und unterer Abbrand. Beim Durchbrand wird Verbrennungsluft durch einen Rost und die Brennstoffschichtung geführt. Nachteilig ist hier die schwierige Anpassung an der Verbrennungsluftmenge an die unterschiedliche Brenngasfreisetzung.

[0009] Beim oberen Abbrand gelangt die Verbrennungsluft seitlich zur Glutbettzone. Beim unteren Abbrand nimmt nur die unterste Schicht des Brennstoffes an der Verbrennung teil. Die im Bereich der Primärluftzufuhr freigesetzten Brenngase werden über einen Gebläsezug in die Brennkammer gelenkt, in der sie unter Sekundärluftzufuhr nachverbrennen. Ist die Brennkammer unten, so nennt man dies Sturzbrand, ist die Brennkammer seitlich, handelt es sich um seitlichen Unterbrand. Allgemein gilt, dass die Stellgröße für die Regelung der unterschiedlichen Brandphasen (Anfahrphase, stationäre Phase mit konstanter Leistung, Teillastphase und Ausbrandphase) die Luft ist. Bei Trennung zwischen Primärluftstrom und Sekundärluftstrom gibt es zwei Stellgrößen. Mit der Primärluft kann die Feuerungsleistung von ca.50% bis 100% beeinflusst werden. Mit der Sekundärluft wird der vollständige Abbrand der brennbaren Gase kontrolliert. Bei leistungsgeregelten Kesseln dient ein Saugzug- oder Druckgebläse der Leistungssteuerung. Gleichzeitig wird die Brennstoffzufuhr geregelt. Lambda-Sonden dienen der Messung des Luftüberschusses im Abgasstrom.

[0010] Aus DE 10 2005 033 320 vom 15.2.2007 ist ein Verfahren zum Verbrennen fester Brennstoffe und eine Vorrichtung nach diesem Verfahren offenbart. Hier wird ein schalenartiger Rost mit mindestens einer Luftkammer gezeigt, wobei Primärluft in diese Luftkammer eingeleitet und Sekundärluft um diese Kammer zugeführt wird. WO 99/15833 vom 1.4.1999 zeigt einen „Self-Stoking Wood Pellets Stove" mit den Merkmalen Zuführschnecke, Fallrohr, Brennschale und Steuerungsventilen für Primär- und Sekundärluftzufuhr sowie einen nach oben verlaufenden Rauchzug.

[0011] Nachteilig an obigen Systemen sind aufgrund der unsymmetrischen Anordnung der Elemente der schwierig erreichbare Zustand einer optimalen Verbrennung auch unter Teillast, die komplexe Ausführung oder die Reinigung des Rostes sowie der hohe erforderliche Raumbedarf für die Verbrennungsvorrichtung.

[0012] Jedes der genannten Systeme weist Vorteile und Nachteile auf, wobei keines der Systeme die Mehrzahl der Vorteile unter sich vereinigt

AUFGABE DER ERFINDUNG

[0013] Basierend auf diesem Stand der Technik wurde ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optimalen Verbrennung von Biomasse gesucht, welche die Vorteile möglichst aller bestehenden Systeme in sich vereinigt und darüber hinaus auch in Teillastzuständen gute Ergebnisse liefert. Der Aufbau soll kompakt, der Materialbedarf gering und die Bauform minimal gegenüber der erreichbaren Leistungsausbeute sein. Zusätzlich soll die Zahl der Verschleißkomponenten auf ein vertretbares Minimum reduziert werden, oder aber die Verwendbarkeitsdauer der Verschleißteile möglichst groß werden. Darüber hinaus wurde eine sehr geräuscharme Verbrennungsanlage gewünscht, mit möglichst homogenem Abbrand und geringer Verwirbelung in der Heizung. Unkontrollierte Konvektion der Wärme soll weitestgehend vermieden werden. Ebenso soll Versottung oder Rückbrand ausgeschlossen werden. Auch für den Wartungsfall soll möglichst leichte Zugänglichkeit zu den zu reinigenden Flächen sowie die einfache Möglichkeit zum Tausch von Teilen gegeben sein.

DAS SCHUTZBEGEHREN

[0014] Zur Lösung dieser Aufgabenstellung ist vorgesehen dass Brennstoff zusammen mit sauerstoffhaltiger Primärluft einer Vergaserschale mit hoher thermischer Leitfähigkeit zugeführt wird, worin der Brennstoff im ersten Verbrennungsschritt durch Pyrolyse vergast wird, das entstehende Gas durch Leiteinrichtungen über den Schalenrand der Vergaserschale oder über Ausnehmungen am oberen Schalenrand an die Außenwand der Schale geleitet wird und im Zwischenraum mit sauerstoffhaltiger Sekundärluft angereichert und in eine Zyklonströmung um 2/9 österreichisches Patentamt AT507 098B1 2010-02-15 die Schalenaußenwand während eines zweiten Verbrennungsschrittes übergeführt wird, durch dessen hohe Konvektion zusammen mit der hohen Reflexion der Wärmestrahlung an den Leiteinrichtungen eine starke thermische Rückkopplung erfolgt.

[0015] Dabei wird Brennstoff zusammen mit sauerstoffhaltiger Primärluft einer Vergaserschale in einem Schalenbrenner mit Abwurffeuerung mit hoher thermischer Leitfähigkeit zugeführt, worin der Brennstoff im ersten Verbrennungsschritt durch Pyrolyse vergast wird. Das entstehende Gas wird durch besondere Leiteinrichtungen oberhalb der Schale und um die Schale herum geleitet. Beispielsweise gelangen die Gase durch den Sog aufgrund eines Sauggebläses oder den Druck eines Druckgebläses über den Schalenrand der Vergaserschale oder über Ausnehmungen am oberen Schalenrand direkt an die Außenwand der Schale. Im engwandigen Zwischenraum erfolgt die Anreicherung mir sauerstoffhaltiger Sekundärluft und gleichzeitig eine Erzwingung einer Zyklonströmung um die Schalen-Außenwand durch geeignete Vorrichtungen. Dabei erfolgt eine starke Vermischung und gleichmäßige Verteilung der exotherm reagierenden Gase im zweiten Verbrennungsschritt. Reflexionen der Wärmestrahlung an den Leiteinrichtungen und hohe Konvektion des Gasstromes dienen einer starken thermischen Rückkopplung der Materialien zueinander und somit zu sehr gutem Ausbrand der Rauchgase. Die Pyrolyse wird verbessert oder kann auf kleinerem Raum stattfinden. Die dichte und effiziente Gasführung bewirkt ein Rauchgas mit äußerst geringer Schadstoffkonzentration auch unter Teillast. Ascheteilchen werden durch die Zyklonströmung an die Brennerwand gedrückt und fallen aus dem Hauptgasstrom.

[0016] Russteilchen und feine Partikel verglühen an den heißen Leiteinrichtungen, aufgrund ihrer katalytischen Wirkung.

[0017] Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Hauptströmungsrichtung der Zyklonströmung nach unten zeigt und der Gasstrom am tiefsten Punkt unterhalb der Schale direkt in den Diffusorraum übergeführt wird. Dadurch werden die Heizgase gezielt und homogen nach unten geleitet, entgegen der üblichen Kaminrichtung nach oben.

[0018] Zur Verfeinerung kann die Strömung mithilfe weiterer abwechselnden schalen- und trichterartigen Leiteinrichtungen in weitere Kaskaden gezwungen werden. Dann schließen an die abwärtsgerichtete Strömung wieder eine aufwärts gerichtete Strömung und umgekehrt. Die so gebildeten Kaskaden stellen Strömungsschichtungen gegenüber dem Diffusorraum dar, welcher die Wärme optimiert an die Umgebung oder Wärmetauscher abgeben kann.

[0019] Es ist vorteilhaft, wenn die Strömungsgeschwindigkeit der Primärluft in die Vergaserschale und die Strömungsgeschwindigkeit der Sekundärluft in die Zonen außerhalb der Vergaserschale unterschiedlich ist oder unabhängig voneinander regelbar ist.

[0020] Bei eine erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Leiteinrichtungen oberhalb und unterhalb einer Vergaserschale vorgesehen, um den Gasstrom nach der Pyrolyse in engem Kontakt mit der Außenseite der Vergaserschale zu führen, wobei mindestens eine Sekundärluftdüse zwischen der Vergaserschale und den Leiteinrichtungen vorgesehen ist, deren axiale Strömungsaustrittsrichtung eine Horizontalkomponente aufweist und zumindest näherungsweise tangential an die Vergaserschalenwand verläuft.

[0021] Im Wesentlichen handelt es sich dabei um eine obere flächige Begrenzung mit Ausnahme des Füllrohres und einer um die Vergaserschale seitlich angeordneten flächigen Begrenzung. Die Leiteinrichtungen dienen dazu, den Gasstrom nach der Pyrolyse in engen Kontakt mit der Außenseite der Vergaserschale zu bringen und die Verbrennungswärme je nach Betriebszustand wechselweise zu reflektieren. Mithilfe von mindestens einer Sekundärluftdüse zwischen der Vergaserschale und den Leiteinrichtungen wird eine Zyklonströmung erzwungen. Dazu ist die axiale Strömungsaustrittsrichtung der Düse vorteilhafterweise dergestalt, dass sie eine Horizontalkomponente aufweist. Die Düsenachse verläuft dabei zumindest näherungsweise tangential zur Vergaserschalenwand.

[0022] Eine einfache Ausbildung der oberen Leiteinrichtung ist die Form einer zweischalig aufgebauten Bedeckung mit Hohlraum. Dieser Hohlraum sollte mindestens eine Luftansaugöff- 3/9 österreichisches Patentamt AT507 098B1 2010-02-15 nung aufweisen. Die untere Begrenzung der Bedeckung kann mit mindestens einer Düse verbunden sein, deren Lufteintrittsöffnung mit dem Hohlraum der Bedeckung verbunden ist. Eine Füllöffnung mit Füllrohr für den Brennstoff ist dabei ausgespart. Diese Füllrohr ist auch nach oben hin nahezu gasdicht, wodurch der Rauchzug nur nach unten ausweichen kann.

[0023] Die Führung erfolgt durch die untere Leiteinrichtung, welche wie ein Trichter, bis auf eine untere Ausnehmung, zweitschalig um die Außenwand der Vergaserschale ausgeführt ist. mit Parallelabstand oder mit sich nach unten veränderndem Abstand. Dabei ist die untere Leiteinrichtung mit der oberen Leiteinrichtung verbunden.

[0024] Die untere Leiteinrichtung kann ebenso wie die Vergaserschale pyramidische, sphärische, konische, paraboloidische oder hyperboloidische Oberflächenabschnitte aufweisen.

[0025] Die Vergaserschale und ihre umgebende Leiteinrichtung können vorteilhaft koaxial und konzentrisch um eine Brennerachse angeordnet sein. Sie können rotationssymmetrisch geformt sein.

[0026] Es ist vorteilhaft, wenn mindestens eine Luftaustrittsöffnung einer Primärluftdüse knapp oberhalb des Schalentiefstpunktes innerhalb der Schale nahe an der Abbrandposition der Biomasse positioniert ist, wodurch der Pyrolyse die optimale Luftmenge zugeführt werden kann. Die Position mindestens einer Luftaustrittsöffnung, u. zw. mindestens einer Sekundärluftdüse, sollte zweckmäßigerweise an der Außenseite der Schale vorgesehen sein.

[0027] Zumindest eine der Luftzuführdüsen kann vorteilhaft als Ringspaltdüse um ein Füllrohr ausgebildet sein. Alternativ oder ergänzend können mehrere Primärluftdüsen oder mehrere Sekundärluftdüsen in gleichem Winkelabstand um die Brennerachse angeordnet sein.

[0028] Die Strömungsgeschwindigkeit durch die Luftzufuhrdüsen wird zweckmäßig durch mindestens ein Ansauggebläse als Abgasventilator kontrolliert und geregelt. Zusätzlich kann sie über einen Drehschieber um die Luftansaugöffnungen regelbar sein.

[0029] Bimetallregler in den Luftzufuhrdüsen können vorteilhaft für die temperaturabhängige Regelung der Strömungsgeschwindigkeit vorgesehen sein.

[0030] Die Luftzufuhrdüsen können durch Tiefziehen, aber auch aus angeschweißten Metallrohrstücken oder Keramikteilen gebildet werden.

[0031] Die obere Leiteinrichtung ist zur Vermeidung von Spannungsverformungen oder Rissen zweckmäßig sphärisch geformt ist, oder weist einzelne getrennte Wölbungen als Dehnungsreserve auf.

[0032] Der Radialabstand zwischen Vergaserschale und der untere Leiteinrichtung kann gegeneinander verstellbar ausgeführt sein. Dieser Abstand ist in axialer Richtung gleich oder verjüngt sich in Strömungsrichtung.

[0033] Zur Vermeidung von Verlustwärme nach oben, ist eine thermische Isolierschicht, vorzugsweise aus Mineralwolle oder Keramikfaser oberhalb der oberen Leiteinrichtung vorgesehen.

[0034] Die Vergaserschale kann zur Rest-Aschen-Ausbringung mit einem federgelagerten Stoßkegel oder rostartigen Komponenten versehen sein.

[0035] Die Erfindung wird anhand beiliegender Figuren näher beschrieben.

[0036] Es zeigen: [0037] Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch die Erfindung.

[0038] Fig. 2 den Horizontalschnitt A-A' aus Figur 1.

[0039] In Fig. 1 ist wird das Verfahren und die Vorrichtung anhand des Vertikalschnittes verdeutlicht. Dargestellt ist der Brenner 1 mit seinem hier deutlich erkennbaren zweischaligem Aufbau. Ober dem zentralen Füllrohr 2 wird mithilfe einer Förderschnecke (hier nicht gezeigt) der Brennstoff 18, vorzugsweise Pellets, Hackschnitzel oder Holzspäne, auf die Vergaserschale 4/9 österreichisches Patentamt AT507 098B1 2010-02-15 8 eingebracht. Der Brennstoff fällt durch das Füllrohr aufgrund des Vortriebes der Förderschnecke in zeitlichem Abstand aufgrund der Schwerkraft herab. Dabei passiert er die Füllöffnung 20 im Brennerdeckel. Das Füllrohr weist einen Strömungswiderstand nach oben hin auf, der durch geeignete Rückschlagventile, durch Abdichtungen oder durch einen leichten Primärluftstrom aufgrund eines Drucküberschusses, der durch ein Druckgebläse oder ein Ansauggebläse im Abluftkanal, hier nicht gezeigt, erfolgt. Im Zuge der Verbrennung sinkt der Brennstoff ab und der abgebrannte Brennstoff wird durch frischen ersetzt. Da die optimale Betriebsbedingung auch bei unterschiedlichen Leistungen bei konstantem Schalenniveau erreicht ist und der Brennstoff von oben eher kalt ist, kann durch eine Detektierung mit einem Sensor 23 das Niveau für eine exakte Brennstoffdosierung auch mit ungenauen Fördersystemen erreicht werden. Der Brennstoff 18 aus Biomasse wird bei einem Kaltstart über elektrische Heizstäbe oder über Heißluft angeheizt. Diese Initialwärme kann über die Primärluftdüsen 3 von oben mit integrierten Glühdrähten oder über einen eventuellen Rost von unten zugeführt werden, um den Pyrolyseprozess zu starten. In der Figur 1 sind vier Primärluftdüsen 3 gezeigt (drei sichtbar), welche um die Brennerachse 19 im Winkel von 90° angeordnet sind und schräg in die Vergaserschale 8 reichen. Der Biomassebrennstoff 18 kann dabei die Primärluftdüsen 3 auch bedecken. Die Primärluft kann auch durch einen eventuell am Boden oder in Bodennähe der Vergaserschale angebrachten Rost zugeführt werden. Durch die Pyrolyse wird der Brennstoff aufgrund der Initialwärme in Vergasung gebracht, dabei wird weitere Wärme freigesetzt, wodurch die Heißluft oder die elektrische Heizung nicht mehr benötigt wird. Die Vergasung erzeugt brennbare Gase aus Kohlenwasserstoffverbindungen, dadurch entstehen Temperaturen von bis zu 1000° C am Boden der Vergaserschale. Durch das Gebläse werden die Gase an der Innenwand der Schale hinaufgeführt, bis zum Schalenrand 11, wo der Übertritt in den Zwischenraum 10 stattfindet. Ist die Schale an mehreren Punkten aufgehängt oder durch Abstandshalter von der unteren Leiteinrichtung 9 getrennt, dann gleitet die Strömung direkt über den Rand der Schale. Vorstellbar ist aber auch eine direkte Verbindung des Schalenrandes mit der oberen Leiteinrichtung 6, insbesondere mit deren unterer Begrenzung 22. Dann müssen Ausnehmungen, wie Löcher im oberen Rand der Schale vorgesehen sein, um die Strömung in den Zwischenraum 10 zwischen der Vergaserschale und der unteren Leiteinrichtung 9 zu ermöglichen. Hier stellt die Vergaserschale einen Kegelstumpf-Mantel dar, der aus einem ca. 2 mm starkem Stahlblech mit ebenem Boden gebildet ist. Der Öffnungswinkel ist etwa 90° und die untere Leiteinrichtung 9 bildet einen kegelförmigen Trichter im Radialabstand 12 und ist axial konzentrisch dazu verschoben. Dadurch entsteht hier eine Doppelwand mit gleichem Abstand in axialer Richtung. Zwischen diesen Wänden erfolgt die Hauptverbrennung der Pyrolysegase unter Zufuhr von Sekundärluft über Sekundärluftdüsen 13. Die Form der Schale muss nicht kegelförmig sein, jede muldenbildende Schalenform ist möglich, auch der Form der Leiteinrichtung 9 sind nur geringe Einschränkungen auferlegt. Hier sind die die Form entscheidenden Elemente die Entstehung thermischer Spannungen, die gewünschten Strömungsprofile für die Verbrennungsgasströmung und die Aspekte des Alterungsverschleißes und der Wartung. Denkbar sind also sphärische, konische, paraboloidisch, hyperbolische oder auch mehrseitige pyramidische Formen oder Formzusammensetzungen. Bei Wahl eines sich nach unten verringernden Abstandes erhöht sich nach unten die Rotationsgeschwindigkeit des Gasstromes. Auch eine schneckenförmige Führungsrinne kann an der Außenwand der Schale und der Innenwand der Leiteinrichtung 9 vorgesehen sein, um Formstabilität gepaart mit einer laminar geführten Zyklonströmung zu erreichen. Diese Zyklonströmung wird auch durch die Form der Sekundärluftdüsen 13 erreicht. Hier sind sechs Düsen im Eintrittsbereich der Verbrennungsgase aus der Vergaserschale in den Strömungszwischenraum 10 gleichmäßig um den Schalenumfang verteilt. Der Winkelabstand ist hier 60°. Die Düsenmündung 15 ist dabei nicht lotrecht nach unten gerichtet sondern schräg zur Brennerachse 19 geneigt. Der Winkel ist dabei zweckmäßig so gewählt, dass die Verweildauer der Strömung um die Vergaserschale gute Rück- bzw. Wechselwirkung auf die erste Stufe der Verbrennung verursacht. Durch die Zuführgeschwindigkeit des Brennstoffes 18 über die Förderschnecke zusammen mit der Gebläsestärke und der Wärmeentnahme wird die Last bestimmt. Unabhängig davon soll die Vergaserschale 8 auf optimaler Temperaturhöhe als Aktivierungsenergie für die Pyrolyse gehalten werden. Die enge Führung der Sekundärverbrennungsluft an der Vergaserschale 8 gepaart mit der hohen Reflexion von Wärmestrahlung durch 5/9 österreichisches Patentamt AT507 098B1 2010-02-15 die Leiteinrichtung 9 einerseits und durch die Vergaserschale 8 andererseits bewirken einen selbstregulierenden Effekt, wodurch die Gase lastunabhängig vollständig oxidieren, bevor es zum Auftreffen auf die kalten Diffusoroberflächen kommt, und Schadgase wie Kohlenmonoxid den Kamin unvollständig verbrannt verlassen.

[0040] Die Zahl und Form der Sekundärluftdüsen ist hier willkürlich gewählt. Hier sind der Fantasie keine Grenzen gesetzt. So kann auch eine Spaltringdüse in den Zwischenraum 10 münden, welcher aus der unteren Begrenzung 22 der oberen Leiteinrichtung 6 gebildet ist. Zusätzliche Leitbleche können dann die definierte Zyklonströmung bewirken.

[0041] Hier stammen die Primärluft und die Sekundärluft direkt aus dem Hohlraum 6 der doppelt ausgeführten oberen Leiteinrichtung (Brennerbedeckung). Die Luft wird von außen über die Luftansaugöffnung (hier als Umlaufspalt gezeigt) zugeführt. Die Wärmeleitung der verwendeten Bleche und die Wärmestrahlung der Verbrennungsgase bewirken, dass die Brennerbedeckung hohe Temperaturen erreicht und somit auch hohe Vorwärmung für die Primär- und die Sekundärluft zur Folge haben. Die Primärluftdüsen 3 und die Sekundärluftdüsen 13 stehen über die Lufteintrittsöffnungen 4 und 14 direkt mit dem Hohlraum 5 der Brennerbedeckung 6 in Verbindung. Wärmeverluste werden durch die Isolierschicht 17 oberhalb der Brennerbedeckung 6 vermieden.

[0042] Fig. 2 zeigt den Schnitt nach Linie A-A' der Fig. 1 von oben und macht den symmetrischen Aufbau der Ausführung deutlich. Zu sehen sind die Lufteintrittsöffnungen der Düsen 3, 13 im Schnitt, und die Vergaserschale.

BEZUGSZEICHENLISTE 1 Schalenbrenner 2 Füllrohr 3 Primärluftdüse 4 Lufteintrittöffnung in die Primärluftdüse 5 Hohlraum einer zweischaligen Bedeckung 6 obere Leiteinrichtung (Bedeckung) 7 Luftaustrittöffnung aus der Primärluftdüse 8 Vergaserschale 9 untere Leiteinrichtung (Bewandung, Zyklon-Düse, Trichter) 10 Zwischenraum (2_ Verbrennungsstufe) 11 Schalenrand der Vergaserschale 12 Abstand zwischen Schale und unterer Leiteinrichtung 13 Sekundärluftdüse 14 Lufteintrittöffnung in die Sekundärluftdüse 15 Luftaustrittöffnung aus der Sekundärluftdüse 16 Luftansaugöffnung 17 Isolierschicht 18 Brennstoff mit Asche aus Biomasse 19 Brennerachse 20 Füllöffnung für den Brennstoff 21 Mündung der unteren Leiteinrichtung (Düse, Trichter) in den Diffusorraum 22 untere Begrenzung der oberen Leiteinrichtung (Bedeckung) 23 Sensor für die Brennstoffinengenermittlung 6/9

Claims (20)

1. österreichisches Patentamt AT507 098B1 2010-02-15 Patentansprüche 1. Verfahren zur kaskadischen Biomasse-Oxidation in einem Schalenbrenner mit Abwurffeuerung dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoff (18) zusammen mit sauerstoffhaltiger Primärluft einer Vergaserschale (8) mit hoher thermischer Leitfähigkeit zugeführt wird, worin der Brennstoff im ersten Verbrennungsschritt durch Pyrolyse vergast wird, das entstehende Gas durch Leiteinrichtungen (6,9) über den Schalenrand (11) der Vergaserschale oder über Ausnehmungen am oberen Schalenrand an die Außenwand der Schale (8) geleitet wird und im Zwischenraum (10) mit sauerstoffhaltiger Sekundärluft angereichert und in eine Zyklonströmung um die Schalenaußenwand während eines zweiten Verbrernnungsschrit-tes übergeführt wird, durch dessen hohe Konvektion zusammen mit der hohen Reflexion der Wärmestrahlung an den Leiteinrichtungen eine starke thermische Rückkopplung erfolgt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptströmungsrichtung der Zyklonströmung nach unten zeigt und der Gasstrom am tiefsten Punkt unterhalb der Schale (8) in den Diffusorraum übergeführt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung mithilfe weiterer abwechselnden schalen- und trichterartigen Leiteinrichtungen in weitere Kaskaden gezwungen wird, wobei an eine abwärtsgerichtete Strömung wieder eine aufwärts gerichtete Strömung und umgekehrt an eine aufwärts gerichtete Strömung wieder eine abwärts gerichtete folgt und die so gebildeten Kaskaden Strömungsschichtung gegenüber dem nachfolgenden Diffusorraum darstellen.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche von 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit der Primärluft in die Vergaserschale (8) und der Sekundärluft in die Zonen außerhalb der Vergaserschale unterschiedlich oder unabhängig voneinander regelbar ist.
5. 5. Vorrichtung (1) zur kaskadischen Biomasse-Oxidation in einem Schalenbrenner mit Abwurffeuerung dadurch gekennzeichnet, dass Leiteinrichtungen (6,9) oberhalb (6) und unterhalb (9) einer Vergaserschale (8) vorgesehen sind, den Gasstrom nach der Pyrolyse in engen Kontakt mit der Außenseite der Vergaserschale (8) zu führen und mindestens eine Sekundärluftdüse (13) zwischen der Vergaserschale (8) und den Leiteinrichtungen (6,9) vorgesehen ist, deren axiale Strömungsaustrittsrichtung (15) eine Horizontalkomponente aufweist und zumindest näherungsweise tangential an die Vergaserschalenwand verläuft.
6. 6. Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Leiteinrichtung (6) als zweischalig aufgebaute Bedeckung mit Hohlraum (5) aufgebaut ist und mindestens eine Luftansaugöffnung (16) aufweist, mindestens eine mit der unteren Begrenzung der Bedeckung (22) und dem Hohlraum verbundene Düse (3, 13) mit Lufleintrittsöff-nung (4, 14) besitzt und eine Füllöffnung (20) mit Füllrohr (2) für den Brennstoff (18) aufweist.
7. 7. Vorrichtung (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Leiteinrichtung (9) bis auf eine untere Ausnehmung (21) zweitschalig zur Außenwand der Vergaserschale (8) ausgeführt ist, mit Parallelabstand (12) oder mit sich nach unten verringerndem Abstand, und die untere Leiteinrichtung (9) mit der oberen Leiteinrichtung (6) verbunden ist.
8. 8. Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Leiteinrichtung (9) und die Vergaserschale (8) pyramidische, sphärische, konische, paraboloidische oder hyperboloidische Oberflächenabschnitte aufweisen.
9. 9. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergaserschale und ihre umgebende Leiteinrichtung koaxial und konzentrisch um eine Brennerachse (19) angeordnet sind und vorzugsweise rotationssymmetrisch geformt sind. 7/9 österreichisches Patentamt AT507 098 B1 2010-02-15
10. 10. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Luftaustrittsöffnung (7) mindestens einer Primärluftdüse (3) knapp oberhalb des Schalentiefstpunktes innerhalb der Schale (8) nahe an der Abbrandposition der Biomasse (18) aufweist und/oder mindestens eine Luftaustrittsöffnung (15) mindestens einer Sekundärluftdüse (13) an der Außenseite der Schale (8) aufweist.
11. 11. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Luftzufuhrdüsen (3,13) als Ringspaltdüse um das Füllrohr (2) ausgebildet ist.
12. 12. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Primärluftdüsen (3) und/oder mehrere Sekundärluftdüsen (13) in gleichem Winkelabstand um die Brennerachse (19) angeordnet sind.
13. 13. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit durch die Luftzufuhrdüsen (3,13) durch mindestens ein Ansauggebläse als Abgasventilator und/oder einen Drehschieber um mindestens eine Luftan-saugöffnung (16) regelbar ist.
14. 14. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet dass Regeleinrichtungen in den Luftzufuhrdüsen (3,13) vorgesehen sind.
15. 15. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche von 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzufuhrdüsen (3,13) durch Tiefziehen oder aus angeschweißten Metall- oder Keramikrohrstücken gebildet sind.
16. 16. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche von 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Leiteinrichtung (6) sphärisch geformt ist, oder einzelne getrennte Wölbungen aufweist.
17. 17. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche von 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass Vergaserschale und die untere Leiteinrichtung (9) mit geringem, gleichbleibendem, oder sich in Strömungsrichtung verjüngendem Radialabstand angeordnet sind, wobei der Abstand gegebenenfalls über Hubspindel einstellbar ist.
18. 18. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche von 5 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine thermische Isolierschicht (17) aus Mineralwolle oder Keramikfaser oberhalb der oberen Leiteinrichtung (6) vorgesehen ist.
19. 19. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche von 5 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergaserschale einen Rost oder einen federgelagerten Stoßkegel zur Aschen-Ausbringung aufweist.
20. 20. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffmassenstrom durch das Niveau des Brennstoffes an dessen einwurfseitiger Oberfläche in der Vergaserschale mittels eines Sensors (23) regelbar ist. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 8/9