DE102004038968B3

DE102004038968B3 - Automatisch arbeitender Hackschnitzelbrenner zum Anbau an Zentralheizungskessel mit einer Kesselleistung von 4 - 25 KW

Info

Publication number: DE102004038968B3
Application number: DE200410038968
Authority: DE
Inventors: Manfred Manderbach
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-08-10
Filing date: 2004-08-10
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2024-08-11

Abstract

Automatisch arbeitender Hackschnitzelbrenner zum Anbau an Zentralheizungskessel, die nach ihrer Bauart für Öl- und Gasfeuerung oder Holzfeuerung eingesetzt werden, mit einer Kesselleistung von 4-25 kW, gekennzeichnet durch einen primären, einen sekundären und einen tertiären Feuerungsabschnitt, unter Einsatz von Verbrennungsluft, die gestuft in einem primären, sekundären und tertiären Luststrom aufgeteilt ist, zur Erzielung niedrigster Emissionswerte und hoher Kesselwirkungsgrade sowie minimalem Austrag von Asche in den Kessel durch Ascheaustrag aus dem Sekundärabschnitt des Brenners. DOLLAR A Durch den Einsatz von Öl- oder Gaskesseln in Verbindung mit dem Hackschnitzelbrennner gemäß Erfindungsansprüchen wird neben der Fortentwicklung des Standes der Technik für Hackschnitzel/Pelletfeuerung auch ein wirtschaftlicher Anreiz zum Einsatz von heimischen, erneuerbaren Energie-Ressourcen in Form von Holzhackschnitzeln entwickelt, die gegenüber Holzpellets preisgünstiger hergestellt und in einer Brenner-/Kessel-Konzeption eingesetzt werden können, die gegenüber Spezialkesseln für Holz- oder Pelletverbrennung einen günstigeren Preis, d. h. einen erhöhten Anreiz zur Anschaffung, bietet.

Description

Die Erfindung betrifft einen automatisch arbeitenden Hackschnitzelbrenner zum Anbau an Zentralheizungskessel, insbesondere zum Anbau an öl- gas- oder holzgefeuerte Zentralheizungskessel, mit einer Kesselleistung von 4–25 kW.
Der Betrieb des Hackschnitzelbrenners ist ein Beitrag zur Reduktion des CO₂-Ausstosses in die Atmosphäre. Er ist eine praktische Umsetzung der Ziele von umweltpolitischen Gesetzen und Richtlinien der Bundesrepublik Deutschland und der Europäischen Gemeinschaft, die Vorgaben für den Ersatz fossiler Energieträger (Öl, Erdgas und Kohle) durch den Einsatz erneuerbarer (nachwachsender) Energieträger wie Holz geben.
Durch die Einsatzfähigkeit des Brenners für Hackschnitzel in Verbindung mit Zentralheizungskesseln, die von ihrer Bauart für Öl- oder Gasfeuerung betrieben oder neu angeschafft werden, ist eine erleichterte Umsetzung der politischen Ziele bzw. ein erhöhter Anreiz für die Investition zu erwarten.
Der Hackschnitzelbrenner setzt durch seine Bauart und Funktion neue Maßstäbe für niedrige Emissionswerte, insbesondere: Kohlenmonoxid, Stickoxid, Staubgehalt und Kohlenwasserstoffverbindungen im Abgas der Kessel.
Es wird erwartet, dass gegenüber den Grenzwerten gemäß 1. BlmSchV eine Unterschreitung von mehr als 50 % erfolgt.
Die Technik für die automatische Verbrennung von Holzbrennstoffen in/an Zentralheizungskesseln im Leistungsbereich von 4–25 kW ist gekennzeichnet von Einrichtungen, die für die Verbrennung von Holzpellets ertüchtigt worden sind. Die Pelletbrenner sind im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass die Pellets über Stokerschnecke in eine Brennschale gedrückt werden, die im Brennraum des Kessels angeordnet ist. Die Verbrennung erfolgt dabei 2-stufig, d. h. als Primär- und Sekundärfeuerungsprofil oder 1-stufig, wenn andererseits der Brenner an die Frontplatte des Kessels angeflanscht ist.
Dabei wird in allen Fällen der Kesselfeuerraum in den Verbrennungsablauf einbezogen, mit der Folge, dass bei Einsatz von Zentralheizungskesseln im vorgenannten Leistungsbereich die Asche überwiegend oder ausschließlich im Kesselfeuerraum bzw. sich in den Berührungsheizflächen des Kessels absetzen und eine schnelle Verschmutzung der Wärmeübertragungsheizflächen nach sich ziehen.
Die entwickelten und in Betrieb befindlichen Pelletbrenner sind grundsätzlich nicht dazu geeignet, in ihnen Holzhackschnitzel zu verbrennen, da das Abbrandverhalten der Holzhackschnitzel gegenüber Holzpellets in Folge der stark differierenden Schüttdichte (ca. 1 : 3) und der damit verbundenen Langflammigkeit eine lange Verweilzeit der Schwel- und Rauchgase im heißen Brennbereich erfordert. Dies wird mit dem konstruktiven Aufbau der Pelletbrenner nicht erreicht, die durch eine im Kessel integrierte Verbrennung gekennzeichnet sind.
Die im Betrieb befindlichen Hackschnitzelfeuerungsanlagen bieten u. a. auf Grund ihrer funktionalen Mängel keinen Anreiz zum Anbau an Zentralheizungskessel.
Als Vorofenfeuerung sind sie an Heizkesseln angebaut, die speziell für Holzfeuerung (z. B. Scheitholz) konstruiert sind.
Der Einsatz von Zentralheizungskesseln, die von ihrer Bauart für Öl- oder Gasfeuerung vorgesehen sind, ist im Hinblick auf eine erhöhte Aschenfracht problematisch.
Andererseits erfordert der Schwachlastbetrieb bei Verbrennung von Hackschnitzeln im Besonderen eine adiabate Feuerungsumgebung, um die CO-Emissionen niedrig zu halten. Diese Voraussetzung erfüllt ein integriertes Konzept nach dem Stand der Technik nicht.
Mit einem Vorofenkonzept für Holzhackschnitzel ist der Luftüberschuss vergleichsweise hoch, so dass nur spezielle Zentralheizungskessel eingesetzt werden können.

Aus der WO 01/04048 A1 ist z.B. eine automatisch arbeitende Brennereinheit zur Verbrennung von Pellets, Hackschnitzeln, etc. für den Anbau an einen Zentralheizungskessel bekannt, bei dem die Verbrennungsluft als Primärluft über den Verbrennungsrost und Sekundärluft über seitlich angeordnete Düsen in die Brennkammer zugeführt wird. Die Entaschung erfolgt hierbei diskontinuierlich über einen Schieber.

Der WO 02/079693 A1 ist eine vergleichbare Brennereinheit für Leistungen bis zu 100 kW entnehmbar, der einen luftgekühlten Feuerungsrost und eine getrennt regelbare Primär- und Sekundärluft aufweist. Die Verbrennung erfolgt hier ebenfalls über einen Rost, wodurch jedoch unverbrannte Bestandteile den Ascheanteil erhöhen.

Die DE 41 36 409 A1 zeigt eine Feuerungsanlage zur Verbrennung von kleinstückigen Festbrennstoffen, insbesondere Hackschnitzel, bei der der Heizkessel mit der Brennkammer kombiniert ist. Die Verbrennung ist hierbei als Flugverbrennung ausgeführt, wobei die Brennkammer mehrere Brennkammerabschnitte mit primärer, sekundärer und tertiärer Luftzufuhr aufweist. Besondere Vorkehrungen zur Entaschung sind nicht vorhanden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen automatisch arbeitenden Hackschnitzelbrenner zum Anbau an Zentralheizungskessel in der Leistungsklasse von 4 bis 25 kW anzugeben, der gegenüber dem Stand der Technik eine vollständigere Verbrennung bei gleichzeitig gesteigertem Komfort der Anlage aufweist.

Die Erfindung löst die Aufgabe durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 oder 2.

Hierbei wird das Problem nicht ausreichend dimensionierter und gestalteter Feuerräume bei Einsatz von Holzhackschnitzeln in Pelletbrennern oder holzgefeuerten Kesseln mit Vorofenfeuerung, sowie die nicht ausreichend strukturierte Zugabe der Verbrennungsluft, und die nicht ausreichenden Maßnahmen der Entaschung bei erhöhtem Aschengehalt durch folgende Maßnahmen gelöst:
Gestaltung von primären, sekundären und tertiären Feuerungsabschnitten mit dem Ergebnis, dass die Verbrennung am Austritt des Tertiärabschnittes, d. h. am Eintritt der Rauchgase in den Zentralheizungskessel abgeschlossen ist, die Asche aus dem Sekundärabschnitt ausgetragen wird, und nur ein geringer Teil der Asche als Flugasche in den Kessel gelangt.

Zuführung der Verbrennungsluft in einem 3-Stufen-Konzept mit dem Ergebnis, dass der Verbrennungsablauf kontrolliert in drei Feuerungsabschnitten unter niedrigsten Rauchgasemissionen stattfindet.

Dieses gestufte Verbrennungsluftprofil ist an das Vergasungsverhalten von Hackschnitzeln (= relativ schneller Entgasungsvorgang gegenüber den Pellets, die eine 3-fache Dichte gegenüber Holzhackschnitzeln aufweisen) angepasst:

– Stufe 1 am Austritt des Doppelmantels der Stokerschnecke als Primärluft zur Unterstützung der Strömung der ersten Schwelgase in das Glutfeuer des primären Feuerungsabschnitts.
– Stufe 2 als Sekundärluft über ein Mehrfach-Düsensystem mit Radialeindüsung der Luft im unteren Teil des sekundären Feuerungsabschnitts.
– Stufe 3 über ein halbaxial angeordnetes Düsensystem im tertiären Feuerungsabschnitt für die Einströmung der Tertiärluft unter gleichzeitiger Erzeugung einer Saugwirkung auf den sekundären Feuerungsabschnitt zur Unterstützung des Unterdrucks im Hackschnitzelbrenner, und zur intensiven Vermischung der Tertiärluft mit den noch brennbaren, gasförmigen Rauchgasbestandteilen aus dem primären und sekundären Feuerungsabschnitt unter Verwirbelung der Rauchgase.

Die Erfindung arbeitet auf Grund ihrer konstruktiven Gestaltung und des vorgesehenen Konzeptes der Verbrennungsluftzufuhr mit niedrigst möglichem Luftüberschuss, womit hohe Kesselwirkungsgrade (> 90 %) und niedrige Rauchgasemissionen (50 % unter Grenzwerten der 1. BlmSchV) erreicht werden, und der Einsatz von Zentralheizungskesseln, die von ihrer Bauart und rauchgasseitigen Auslegung der Strömungsquerschnitte von Öl- oder Gasfeuerungsverhältnissen bestimmt sind, auch für Holzhackschnitzel eröffnet wird, und zeichnet sich durch relativ niedrige Investitionskosten, Betriebs- und Wartungskosten aus.

Die Erfindung fördert den Einsatz von Holzhackschnitzeln in automatisch beschickten Brennern für den Zentralheizungsbereich im Leistungsbereich von 4–25 kW.

Sie fördert die Einführung in die Praxis durch ihre flexible Anwendung an bestehenden oder neuen Zentralheizungskesseln, die als Serienprodukte gegenüber Spezial- Holz- oder Pelletskesseln preisliche Vorteile bieten, womit ein Anreiz zur Anschaffung einer Kesselanlage gegeben ist, die heimisch hergestellten Brennstoff einsetzt, der als Holzhackschnitzel gegenüber Pellets günstigere Lieferpreise anbietet, und gegenüber Öl oder Gas die Verfügbarkeit und Versorgungssicherheit als erneuerbarer Energieträger bietet.

Die Funktion des Hackschnitzelbrenners wird an Hand des nachfolgenden Ausführungsbeispiels gemäß 1 erläutert:
Im kalten Zustand des Hackschnitzelbrenners erfolgt nach dem elektrischen Einschalten zunächst ein Aufheizen des Primärluftstromes mit der Heizeinrichtung (5) bis zur Zündtemperatur der Holzhackschnitzel. Über die elektronische Steuerung wird nach Erreichen einer Mindesttemperatur an der Temperaturüberwachung (12) ein Anfahr-Schaltintervall auf die Hackschnitzelförderanlage geschaltet, womit die Hackschnitzel zunächst am heißen Austrittsteil der Stokerschnecke zünden und unter schrittweise, von der Elektronik gesteuerter, Anhebung der Förderleistung die endgültige Verbrennungstemperatur und Verbrennungsleistung aufbauen. Dabei wie auch im laufenden Normalbetrieb, wird die Feuerraumtemperatur ständig überwacht. Bei Absinken dieser Temperatur unter ein voreingestelltes Limit schaltet die Zuförderanlage ab und kann erst nach neuem Startvorgang wieder in Betrieb gehen.
Die Funktion des Verbrennungsluftgebläses (7), d h. die Überprüfung eines ausreichenden Gebläsedruckes, wird durch einen Druckwächter (11) überwacht.
Der Kaminzug, d.h. der Unterdruck im Hackschnitzelbrenner, wird durch einen Unterdruckwächter (13) überwacht.
Die Hackschnitzel-Förderschnecke (1) des Vorratsbunkers wird vom Füllstandswächter (3) des Einfüllkastens (4) angesteuert. Er schaltet die Zuförderung ab, sobald der vorbestimmte Füllstand im Einfüllkasten (4) erreicht ist.
Als Rückbrandsicherung ist eine automatisch arbeitende Löscheinrichtung (2) angebaut.
Die Stokerschnecke (4.1) wird von der Steuerung gesteuert. Dabei sind die sicherheitsgerichteten Einrichtungen der Steuerung ebenfalls einbezogen.
Sekundär- (9) und Tertiärluft (10) werden in Abhängigkeit der Stokerschneckenlaufzeit gesteuert, womit Brennstoffmenge und Verbrennungsluftmenge auch im Teillastbetrieb im richtigen Verhältnis betrieben werden. Die Primärluft (8) bleibt als Basisluft unverändert.
Auf Grund der Brennkammerkonstruktion = heiße Umgebungswände durch Einsatz feuerfester Ausmauerung im Primär- und Sekundär-Brennbereich (6.1 und 6.2) sowie der beschriebenen Brennstoff-Luftregelung wird ein Schwachlastbetrieb <30%, d.h.< 4,5 kW Kesselleistung bei Einhaltung der Emissionskriterien zur Bezuschussung gemäß Förderung im Rahmen des Anreizprogramms des Bundes (Investition neuer Anlagen auf der Basis erneuerbare Energien) erreicht, der damit auch für die Anwendung von Holzhackschnitzeln gesichert werden kann.
Auf Grund der Brennkammergestaltung in einen primären (6.1), sekundären (6.2) und tertiären (6.3) Feuerungsabschnitt mit niedrigen Rauchgasgeschwindigkeiten im primären und sekundären Feuerungsabschnitt wird die Austragung von Asche in den Kessel (19) wesentlich gemindert. Die entstehende Asche aus der Verbrennung wird über die Stokerschnecke (4.1) bzw. die Vorwärtsbewegung des Brennstoffes kontinuierlich in den Aschekasten (16) ausgeschoben. Die Integration einer Aschenförderschnecke zum Transport der Asche in einen größeren Aschenbehälter (18) ist vorgesehen, um den Erwartungen an den Komfort der Anlage zu entsprechen.
Die Anforderungen an einen aufsichtsfreien Betrieb des Hackschnitzelbrenners werden durch ein ausgereiftes Beschickungskonzept und die zusätzlich angewendeten und eingebauten Sicherheitseinrichtungen erfüllt.

1: Beschickungsschnecke vom Hackschnitzelbunker
2: Automatische Löscheinrichtung
3: Füllstandswächter
4: Einfüllkasten mit Stokerschnecke
5: Elektrische Zündeinrichtung
6.1: Primärer Feuerungsabschnitt
6.2: Sekundärer Feuerungsabschnitt
6.3: Tertiärer Feuerungsabschnitt
7: Verbrennungsluftgebläse
8: Primärluftzuführung
9: Sekundärluftzuführung
10: Tertiärluftzuführung
11: Überwachung der Verbrennungsluft
12: Überwachung der Feuerungstemperatur
13: Überwachung des Kaminzugs
14: Anschluss an Kessel-Frontplatte
15: Inspektionstür
16: Aschenkasten/Förderschnecke für Asche
17: Reinigungstür
18: Aschecontainer
19: Zentralheizungskessel

Claims

Automatisch arbeitender Hackschnitzelbrenner zum Anbau an Zentralheizungskessel, insbesondere an öl- oder gas- oder holzbefeuerte Zentralheizungskessel, mit einer Kesselleistung von 4 bis 25 kW, wobei der Hackschnitzelbrenner ein gestuftes Verbrennungsprofil mit einem primären Feuerungsabschnitt (6.1) als Vorvergasungsstufe, einem sekundären Feuerungsabschnitt (6.2) als erste Oxidationsstufe und einem tertiären Feuerungsabschnitt (6.3) als zweite Oxidationsstufe aufweist und die Verbrennungsluft kontrolliert in die drei jeweiligen Feuerungsabschnitte (6.1, 6.2, 6.3) zugeführt wird, und wobei der primäre Feuerungsabschnitt (6.1), der sekundäre Feuerungsabschnitt (6.2) und ein Aschekasten (16) so angeordnet sind, dass die gebildete Asche durch den von einer Stokerschnecke (4.1) in den primären Feuerungsabschnitt (6.1) eingetragenen Brennstoff kontinuierlich in den Aschekasten (16) ausgeschoben wird.
Automatisch arbeitender Hackschnitzelbrenner zum Anbau an Zentralheizungskessel, insbesondere an öl- oder gas- oder holzbefeuerte Zentralheizungskessel, mit einer Kesselleistung von 4 bis 25 kW, wobei der Hackschnitzelbrenner ein gestuftes Verbrennungsprofil mit einem primären Feuerungsabschnitt (6.1) als Vorvergasungsstufe, einem sekundären Feuerungsabschnitt (6.2) als erste Oxidationsstufe und einem tertiären Feuerungsabschnitt (6.3) als zweite Oxidationsstufe aufweist und Verbrennungsluft kontrolliert in die drei jeweiligen Feuerungsabschnitte (6.1, 6.2, 6.3) in der Weise zugeführt wird, dass die Sekundärluft radial eingedüst wird und die Tertiärluft über ein halbaxial angeordnetes Düsensystem so einströmt, dass durch eine Richtungskomponente in Ausströmrichtung eine Saugwirkung auf den sekundären Feuerungsabschnitt (6.2) erzeugt wird.
Automatisch arbeitender Hackschnitzelbrenner zum Anbau an Zentralheizungskessel nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass auch Holzpellets und andere Biomasse-Pellets verfeuert werden können.
Automatisch arbeitender Hackschnitzelbrenner zum Anbau an Zentralheizungskessel nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der primäre Feuerungsabschnitt, der sekundäre Feuerungsabschnitt und der tertiäre Feuerungsabschnitt als adiabate Feuerräume ausgeführt sind.
Automatisch arbeitender Hackschnitzelbrenner zum Anbau an Zentralheizungskessel nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsluft auch als Kühlluft für das Brennergehäuse mit Rückführung der Luftwärme in den Verbrennungsprozess eingesetzt wird.
Automatisch arbeitender Hackschnitzelbrenner zum Anbau an Zentralheizungskessel nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Zündung des Brennstoffes automatisch über eine elektrische Heizeinrichtung erfolgt, die im Luftstrom der Primärluft angeordnet ist und diese auf Zündtemperaturniveau des Brennstoffes aufheizt.
Automatisch arbeitender Hackschnitzelbrenner zum Anbau an Zentralheizungskessel nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Zündung des Brennstoffes und der weitere Feuerungsbetrieb durch einen Thermostaten überwacht wird, der als Sicherheitseinrichtung die Beschickung des Hackschnitzelbrenners mit Brennstoff bei Unterschreitung der Mindesttemperatur im Brennraum abschaltet.
Automatisch arbeitender Hackschnitzelbrenner zum Anbau an Zentralheizungskessel nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Unterdruck im Hackschnitzelbrenner durch einen Unterdruckwächter überwacht wird und als Sicherheitseinrichtung die Beschickung des Hackschnitzelbrenners mit Brennstoff bei Unterschreitung des Unterdruckes abschaltet.
Automatisch arbeitender Hackschnitzelbrenner zum Anbau an Zentralheizungskessel nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr der Verbrennungsluft überwacht wird und als Sicherheitseinrichtung die Beschickung des Hackschnitzelrenners mit Brennstoff abschaltet.
Automatisch arbeitender Hackschnitzelbrenner zum Anbau an Zentralheizungskessel nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Asche aus dem Aschenraum (16) des Hackschnitzelbrenners manuell oder über eine Fördereinrichtung kontinuierlich in einen Aschencontainer (18) ausgetragen wird.
Automatisch arbeitender Hackschnitzelbrenner zum Anbau an Zentralheizungskessel nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsablauf über ein Sichtfenster von außen beobachtet werden kann.
Automatisch arbeitender Hackschnitzelbrenner zum Anbau an Zentralheizungskessel nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Brennstoffbeschickung und des Hackschnitzelbrenners an die Steuerung des Zentralheizungskessel über einen Adapter verbunden ist.
Automatisch arbeitender Hackschnitzelbrenner zum Anbau an Zentralheizungskessel nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Hackschnitzelbrenner an die Befestigungsplatte des Zentralheizungskessels angeschraubt ist und nach dem Lösen der Schraubverbindung mit dem fahrbaren Hackschnitzelbrennerunterteil zur Seite gerollt werden kann.
Automatisch arbeitender Hackschnitzelbrenner zum Anbau an Zentralheizungskessel nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Hackschnitzelbrenner ohne Zugverstärker in Verbindung mit dem nachgeschalteten Kessel arbeitet.
Automatisch arbeitender Hackschnitzelbrenner zum Anbau an Zentralheizungskessel nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Hackschnitzelbrenner in axialer Anordnung oder rechtwinkliger Anordnung zum Zentralheizungskessel arbeitet.