DE102011084902B3

DE102011084902B3 - Verfahren und vorrichtung zur fluiderwärmung durch verbrennung kohlenstoffbasierter brennstoffe

Info

Publication number: DE102011084902B3
Application number: DE102011084902A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-10-20
Filing date: 2011-10-20
Publication date: 2013-02-28
Anticipated expiration: 2031-10-21
Also published as: WO2013057187A3; WO2013057187A2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Fluiderhitzer und ein Verfahren zur Erwärmung eines Fluids mittels des Fluiderhitzers, in dem kohlenstoffbasierte Brennstoffe verbrannt werden. Die Erfindung betrifft insbesondere die Verbrennung von fossilen bzw. nachwachsenden Rohstoffen, wobei mit der erfindungsgemäße Fluiderhitzer und dem erfindungsgemäßen Verfahren sowohl Biomasse, Kohle, Heizöl, oder ähnliche kohlenstoffbasierten Brennstoffe verbrannt werden können. Dabei wird die der Verbrennung zugeführte Brennluft in einem vierstufigen Verfahren vorgewärmt und derart vorgewärmt der Brennkammer zugeführt, sodass dort eine Hochtemperaturverbrennung der eingesetzten kohlenstoffbasierten Brennstoffe stattfindet, welche sich durch einen sehr geringen Schadstoffausstoß auszeichnet. Die bei der Verbrennung entstehende Asche wird hierbei in verglaster Form aus dem Fluiderhitzer ausgetragen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erwärmung eines Fluids durch Verbrennung kohlenstoffbasierter Brennstoffe. Die Erfindung betrifft insbesondere die Verbrennung von fossilen bzw. nachwachsenden Rohstoffen, wobei mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowohl Biomasse, Kohle, Heizöl, oder ähnliche kohlenstoffbasierten Brennstoffe verbrannt werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung finden insbesondere bei der technischen Wärmeerzeugung durch Gewinnung von Wärmeenergie bzw. deren Umwandlung zur elektrischen Energie Anwendung. Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung können jedoch auch zum Befeuern beispielsweise von Abfallverbrennungsanlagen oder Hochöfen verwendet werden. Daneben ist eine Verwendung im häuslichen Bereich zur Brauchwasser-, Nutzwasser- oder Heizungswassererwärmung ebenfalls vom Erfindungsgedanken umfasst. Ein Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der Erzeugung eines gasförmigen Arbeitsfluids, insbesondere von Wasserdampf, mit dem eine Arbeitsmaschine, insbesondere eine Dampfmaschine, betrieben werden kann.
Aus dem Stand der Technik sind vielfältige Feuerungs- und Verbrennungsanlagen bekannt, welche in ihrem Wirkungsgrad nicht immer optimal ausgeführt sind. So beschreibt beispielsweise DE 000 S 00 27 948 MAZ ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vorwärmen und Befeuchten von Verbrennungsluft für Kesselfeuerungen. Hierbei wird aus der Umgebung angesaugte Frischluft, welche als Brennluft für die Verbrennung dienen soll, durch den heißen Abgasstrom vorgewärmt und der Verbrennung zugeführt. Dadurch kann die Verbrennungstemperatur erhöht werden, wodurch die Feuerungstemperatur höher ist, als wenn man die Umgebungsluft direkt der Verbrennung zuführt.
Mit der Erhöhung der Feuerungstemperatur steigt allerdings auch das Risiko einer Klinkerbildung am Feuerungsrost und die Verschlackung des Brennstoffbettes. Dem begegnet die oben genannte Druckschrift durch Befeuchtung der Luft, wodurch der vorgewärmten Luft Energie entzogen wird, wobei gleichzeitig hohe Energiemengen zugeführt werden müssen, damit der Wasserdampf jederzeit in der Verbrennungsluft gelöst bleibt und die Verbrennung bei hohen Temperaturen ablaufen kann. Damit sinkt jedoch der Gesamtwirkungsgrad Feuerungsanlage.
DE 696 28 280 T2 beschreibt eine Wirbelbettanordnung mit Durchflussausgleich, welche als mehrstufige Verbrennungsvorrichtung mit drei Brennkammern ausgestaltet ist, die mittels mit Öffnungen versehenen Trennwänden voneinander getrennt sind. Zur effektiven Verbrennung (Fluidisierung) von Feststoffen wird der Feststoffdurchfluss durch die drei Kammern von der Partikelgröße gesteuert. Beim Übergang von einer Kammer zur nächsten Kammer wird dem Verbrennungsgut mittels Wärmetauschern Energie entzogen. Die gesamte Vorrichtung ist dabei von einem separaten Kühlsystem umgeben, welches in einer Ausführungsform als Aschenkühler eingesetzt werden kann. Die zur Verbrennung eingesetzten Gase und Feststoffe treten dabei in einem nicht vorgewärmten Zustand in die erste Brennkammer ein.
DE 36 26 933 C2 beschreibt eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Brennstoff- und Wasserdampf enthaltenden, nach Zumischung von Verbrennungsluft brennbaren Gasgemisches. Dabei werden in einem Brennraum sowohl der Wasserdampf, welcher als Wasser von außen der Vorrichtung zugeführt wird, als auch der Brennstoff und die Verbrennungsluft gleichzeitig von den bei der Verbrennung entstehenden Abgasen in teilweise gemeinsamen Wärmetauschern parallel vorgewärmt, bzw. verdampft.
DE 33 43 024 C2 schlägt zur Vermeidung von Klinkerbildung und Verschlackung des Verbrennungsrostes vor, Frischluft durch hohle Verbrennungsroststäbe zur Kühlung derselben strömen zu lassen. Die Abkühlung des Verbrennungsrostes bzw. der Verbrennungsstelle hat aber zur Folge, dass die Feuerungstemperatur insgesamt sinkt, womit der Gesamtwirkungsgrad der Verbrennung sinkt und die Schadstoffkonzentration der Schadstoffe, welche nach der Verbrennung in den Abgasen vorhanden sind, zunimmt. Des Weiteren bringt eine derartige Frischluftspülung des Verbrennungsrostes einen erhöhten Energiebedarf für die Feuerungsanlage mit sich, womit ebenfalls der Gesamtwirkungsgrad der Feuerungsanlage abnimmt.
Aufgabe der Erfindung ist es einen auf die Verbrennung von kohlenstoffbasierten Brennstoffen basierenden Fluiderhitzer mit höchstmöglichem Gesamtwirkungsgrad bereitzustellen, der einen minimalen Schadstoffausstoß gewährleistet, wobei gleichzeitig eine Klinkerbildung bzw. eine Verschlackung der Verbrennungszone und der Ascheaustragzone vermieden wird. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und einen Fluiderhitzer zur Verbrennung von kohlenstoffbasierten Brennstoffen bereitzustellen, dessen Aufbau einfach und robust sowie kostengünstig ist, wobei die Gesamtanlage zur Fluiderwärmung für Wartungsarbeiten einfach zugänglich sein soll. Ziel der Erfindung ist eine möglichst effektive Ausnutzung des Heiz- bzw. Brennwertes von kohlenstoffbasierten Brennstoffen zur Erhaltung eines erwärmten, erhitzten oder dampfförmigen Fluids, insbesondere ein Arbeitsmitteldampf, mit dem beispielsweise eine Dampfmaschine betrieben werden kann.
Die vorliegende Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst, wobei bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens in den Unteransprüchen angegeben sind. Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls durch eine Vorrichtung nach Anspruch 8 gelöst, während bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäße Vorrichtung in den abhängigen Unteransprüchen angegeben sind.
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird eine Brennkammer, eine Brennstoffzuführung in die Brennkammer, sowie eine Ascheaustragvorrichtung für die bei der Verbrennung anfallende Asche in einem gemeinsamen Gehäuse bereitgestellt, wobei weiterhin zumindest zwei Abgaswärmetauscher innerhalb des Gehäuses vorgesehen sind.
In einer ersten Vorwärmstufe für die der Verbrennung zuzuführenden Brennluft wird Frischluft von der Umgebung dem Fluiderhitzer durch Öffnungen im Gehäuse zugeführt und zunächst an den Außenwänden der Brennkammer bzw. der Brennkammerisolierung vorbeigeführt, wobei die angesaugte Brennluft bevorzugt innerhalb der Brennkammerisolierung zu ihrer ersten Vorwärmung entlang geführt wird. Gleichzeitig oder auch alternativ dazu kann zur Verbrennung notwendige Brennluft im Gehäuseinneren angesaugt werden und Brennluftzuführleitungen zugeführt werden. Entsprechend sind dann in den Außenwänden des Fluiderhitzergehäuses Öffnungen vorzusehen, die ein Einströmen von Frischluft zulassen. Bevorzugt sind diese Öffnung am Außenumfang des Gehäuses verteilt angeordnet, sodass sich die einströmende Brennluft auf ihrem Weg ins Gehäuseinnere an den isolierten Baugruppen des Fluiderhitzers erwärmen kann. Bevorzugt wird man die von außen eintretende Luft an den Außenwänden der Brennkammer und/oder dem ersten Abgaswärmetauscher vorbeiführen, da dort die höchsten Temperaturen herrschen, wodurch auch deren Isolierung, insbesondere die der Brennkammer, Wärme an das Gehäuseinnere der Fluiderhitzeranlage abgibt. Durch die von den einzelnen Baugruppen abgegebene Wärme entstehen im Gehäuseinneren des Fluiderhitzers gegenüber der Umgebungstemperatur erhöhte Temperaturen. Diese Wärme wird von dem erfindungsgemäßen Verfahren zur ersten Vorwärmung der für die Verbrennung bestimmten Brennluft ausgenutzt.
Der erste Wärmetauscher ist für die Erwärmung und/oder die Verdampfung eines Fluids, wie beispielsweise Brauch- oder Nutzwasser oder Wasser, insbesondere zur Dampferzeugung, vorgesehen. Der erste Abgaswärmetauscher wird mit den aus der Brennkammer kommenden heißen Abgasen als wärmeabgebendes Medium durchströmt. Das im ersten Wärmeaustauscher als wärmeaufnehmendes Medium zirkulierende Fluid, beispielsweise Wasser, kommt dabei mit dem wärmeabgebenden heißen Abgasen nicht in Berührung. Das zu erwärmende und/oder zu verdampfende Fluid kann in einer Rohrwendel, welche beispielsweise eine Schraubenlinie beschreibt, geführt werden. Das heiße Abgas wird bevorzugt gegen Strom längs der Rohrwendelachse geführt und kann so effektiv seine Wärme an das Arbeitsmedium, d. h. das Fluid abgeben. Prinzipiell ist es für den Erfindungsgedanken unerheblich, ob die beiden im ersten Wärmetauscher strömenden Medien im Wesentlichen vertikal oder horizontal geführt werden, wichtig ist nur, dass ein guter Wärmeübergang von den heißen Abgasen zum Fluid gewährleistet ist. Bevorzugt wird man die heißen Abgase und das Fluid im Gegenstrombetrieb durch den ersten Wärmetauscher strömen lassen, da dabei die Wärmeunterschiede zwischen den beiden Medien längs des Strömungsweges am größten sind und so eine hohe Wärmeübertragung bewerkstelligt werden kann. Die obigen Ausführungen gelten analog für gerade Rohwärmetauscher und Plattenwärmetauscher.
Die Brennkammer des Fluiderhitzers ist von einem Gehäuse mit Außenwänden umgeben, die beispielsweise einen geschlossenen Behälter oder dergleichen bilden. Vom Erfindungsgedanken sind selbstredend kubische und zylindrische Formen umfasst. Um die Außenwände der Brennkammer ist bevorzugt eine Isolierung angeordnet, welche verhindern soll, dass über die Außenwände der Brennkammer mehr als unvermeidbar Wärmeenergie der Verbrennung des kohlenstoffbasierten Brennstoffs auf die lokale Umgebung der Brennkammer innerhalb des Gehäuses des Fluiderhitzers übertragen wird. Durch diese Wärmeisolierung, d. h. innerhalb der Wärmeisolierung wird in der ersten Vorwärmstufe bevorzugt die von der Umgebung kommende Brennluft geführt, und somit erwärmt. Diese erste Vorwärmung kann dabei mittels in die Wärmisolation integrierten Brennluftführungen erfolgen, die beispielsweise in einer Art Rohrwendel um die Brennkammer herum angeordnet sind. Bei einer einfacheren Ausführungsform der Erfindung sind die Brennluftführungen an den Außenwänden der Brennkammer in Längsrichtung der Brennkammer ausgebildet, womit ein mengenmäßig großer Brennluftdurchsatz an den Außenwänden der Brennkammer erreicht werden kann. Alternativ kann die Isolierung oder eine Isolationsschicht der Brennkammer porös so ausgebildet sein, dass Brennluft durch diese poröse Schicht hindurch angesaugt werden kann. Selbstredend ist bei einem großen Durchsatz von Brennluft, d. h. bei schneller Strömungsgeschwindigkeit an den Außenwänden der Brennkammer, nur eine geringe Wärmeaufnahme durch die für die Verbrennung bestimmte Brennluft möglich. Je langsamer die Brennluft an den Außenwänden der Brennkammer vorbeiströmt, desto mehr Wärmeenergie kann diese aufnehmen.
Zum Erreichen einer Zwangskonvektion innerhalb der Wärmeisolierung der Brennkammer, welche beispielsweise ein poröses Material aufweist, wird bevorzugt ein erster Ventilator verwendet, welcher die Luft um die Brennkammer und/oder aus den Inneren des Gehäuses des Fluiderhitzers absaugt. Dabei bewirkt die Saugleistung auch eine Zwangsansaugung der Umgebungsluft in die Wärmeisolierung der Brennkammer und/oder durch Frischluftzufuhröffnungen im Gehäuse des Fluiderhitzers. Der erste Ventilator ist dementsprechend derart leistungsstark ausgelegt, dass er sowohl die für die Verbrennung bestimmte Brennluft über die Isolierung der Brennkammer mit ausreichend für die Verbrennung notwendigem Volumen bewerkstelligen kann, als auch optional Brennluft aus dem Gehäuseinneren ansaugen kann und die angesaugte Brennluft Brennluftleitungen zum weiteren Transport der bereits einmal vorgewärmten Brennluft an weitere Baugruppen des Fluiderhitzers zuführen kann.
Auf der Abblasseite des Ventilators wird die durch die Brennkammerisolierung bereits einmal vorgewärmte Brennluft in Brennluftleitungen dann einem zweiten Abgaswärmetauscher zugeführt. Die von Brennluftleitungen in den zweiten Abgaswärmetauscher eingeleitete Brennluft dient im zweiten Abgaswärmetauscher als wärmeaufnehmendes Medium. Im zweiten Abgaswärmetauscher wird, wiederum bevorzugt im Gegenstrom, das aus dem ersten Wärmetauscher kommende heiße Abgas – das im ersten Abgaswärmetauscher bereits durch die Erwärmung des Fluids etwas abgekühlt ist – als wärmeabgebendes Medium verwendet. Somit wird im zweiten Abgaswärmetauscher das heiße Abgas weiter gekühlt, wobei gleichzeitig die für die Verbrennung vorgesehene Brennluft weiter erwärmt wird und nun eine zweite Vorwärmstufe durchlaufen hat.
Im zweiten Abgaswärmetauscher wird die Brennluft als wärmeaufnehmendes Medium direkt vom Abgas als wärmeabgebendes Medium erwärmt. Daher ist dessen Energieaufnahme in der zweiten Vorwärmstufe im Vergleich zur ersten Vorwärmstufe bei beispielsweise gleicher Wärmeübertragungsstrecke höher. Bachvollziehbar ist, dass die Menge der Brennluft, welche durch den zweiten Abgaswärmetauscher strömt, in etwa genau so groß sein muss, wie die Menge an Brennluft, welche über die Außenwände der Isolierung der Brennkammer und/oder über den Innenraum des Fluiderhitzergehäuses letztendlich aus der Umgebung angesaugt wird.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Brennluft und das Abgas beispielsweise auch im Kreuzstrom geführt werden, wobei hier ein Einsatz eines Plattenwärmetauschers vorstellbar ist. Für den zweiten Abgaswärmetauscher zur Vorwärmung der Brennluft ist es für die Erfüllung des Erfindungsgedanken unerheblich, ob dieser als Rohr- oder Plattenwärmetauscher ausgebildet ist, so lange ein effizienter Wärmeübergang auf die wärmeaufnehmende Brennluft erfolgt, die für die spätere Verbrennung von kohlenstoffbasierten Brennstoffen vorgesehen ist. Andere Bauformen für Wärmetauscher sind selbstredend vom Erfindungsgedanken umfasst.
Nach Verlassen des zweiten Wärmetauschers wird die nun zweimal vorgewärmte Verbrennungsluft einer dritten Vorwärmstufe über Brennluftführungen zugeleitet. Die dritte Vorwärmstufe bilden hierbei ein oder mehrere Hohlräume in der Ascheaustragvorrichtung der erfindungsgemäßen Verbrennungsvorrichtung. Wie jede Verbrennungsvorrichtung weist auch die erfindungsgemäße Verbrennungsvorrichtung eine Ascheaustragvorrichtung auf, welche bevorzugt mit einer Förderschnecke zum Austragen der Asche arbeitet. Durch Drehung der Förderschnecke wird die in die Ascheaustragvorrichtung fallende Asche entlang der Achsrichtung der Förderschnecke befördert und kann durch geeignete Öffnungen im Gehäuse des Fluiderhitzers ausgeschoben bzw. entsorgt werden.
Weiter bevorzugt läuft die Ascheaustragschnecke in einem Halbrohr bzw. einer nach oben geöffneten Rinne, so dass auf die Austragschnecke fallende Aschepartikel in Rinnenlängsrichtung ausgeschoben werden. Selbstredend ist die Ascheaustragvorrichtung bevorzugt unterhalb der Brennkammer angeordnet und in direktem Kontakt mit dieser, so dass die bei der Verbrennung anfallende Asche in die Austragvorrichtung fallen kann. Dadurch erwärmt sich die Ascheaustragvorrichtung einerseits durch die herabfallenden Aschepartikel als auch durch die in der Brennkammer erzeugte Strahlungs- und Konvektionswärme. Mit der Durchführung der Brennluft durch Hohlräume in der Ascheaustragvorrichtung, die beispielsweise in Längsrichtung der Rinne angeordnet oder integral mit der Rinne ausgebildet sind, kann somit zweierlei Effekt erzielt werden: Erstens eine weitere Erwärmung der Brennluft auf ihrem Weg zur Brennkammer als auch eine Kühlung der Ascheaustragvorrichtung zur Vermeidung von Schlackenbildung und Verklinkerung der Asche auf/in der Ascheaustragvorrichtung. Speziell der zweite Punkt ist für die zuverlässige Funktionsweise des erfindungsgemäßen Fluiderhitzers wichtig, damit die Ascheaustragschnecke nicht durch Aschepartikel verklebt, welche auf der Ascheaustragvorrichtung, insbesondere in der Rinne oder auf der Schnecke, kleben bleiben könnten. Hierzu ist ebenfalls denkbar die Brennluft durch beispielsweise Längsbohrungen in der Asche-Transportschnecke zu leiten. Damit ist gewährleistet, dass die Ascheaustragschnecke, welche eine herkömmliche Transportschnecke sein kann, jederzeit während der Verbrennung in Drehung verbleibt und so eine kontinuierliche Befeuerung und Verbrennung in der Verbrennungsvorrichtung möglich ist.
Der andere Effekt der weiteren Vorwärmung der Verbrennungsluft erzielt eine höhere Verbrennungstemperatur, wenn die nun dreimal vorgewärmte Brennluft weiter in Richtung Brennkammer und dem dort vorhandenen kohlenstoffbasierten Brennstoff vorgewärmt zugeführt wird. Die weitere Zuführung der Verbrennungsluft von der Ascheaustragvorrichtung an die Brennkammer erfolgt über Brennluftführungen, welche die nun bereits dreifach vorgewärmte Brennluft um eine Brennstoffzuführeinrichtung herum der Brennkammer zuführt. Durch die umgreifende/umspülende Zuführung der Brennluft zur Brennstoffkammer wird die Brennluft ein viertes Mal vorgewärmt, bevor sie dem Verbrennungsgut zur Verfügung steht.
Bevorzugt weist die Brennstoffzufuhr an ihrem Umfang Hohlräume auf, die in Brennstoffzuführrichtung ausgebildet sind. Diese Hohlräume in der Brennstoffzuführeinrichtung enden zusammen mit der Brennstoffzuführung in der Brennkammer, wodurch in nachvollziehbarer Weise diese Hohlräume zumindest durch die Strahlungswärme der Verbrennung erwärmt werden und so die Verbrennungsluft eine vierte Vorwärmstufe durchläuft, bevor sie der Verbrennung zur Verfügung steht. Je nach Ausführungsart taucht die Brennstoffzuführeinrichtung mehr oder weniger weit in die Brennkammer ein, wodurch die Hohlräume an der Brennstoffzuführeinrichtung, durch welche die Brennluft der Brennkammer zugeführt wird, stärker oder weniger stark durch Strahlungs- und/oder Konvektionswärme der Verbrennung erhitzt werden.
Insgesamt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und in der erfindungsgemäßen Vorrichtung die von Umgebung angesaugte oder zugeführte Brennluft mit Umgebungstemperatur in vier aufeinanderfolgenden Vorwärmschritten erwärmt und dem kohlenstoffhaltigen Brennstoff in der Brennkammer zugeführt. Durch die hohe Vorwärmung der Brennluft auf ihrem Weg durch die erfindungsgemäße Verbrennungsvorrichtung wird eine hohe Flammtemperatur und somit eine hohe Brenntemperatur in der Brennkammer erreicht, welche vorteilhaft die Verbrennung sehr schadstoffarm ablaufen lässt. Allgemein gilt, dass je höher die Verbrennungstemperatur, desto niedriger ist die dabei entstehende Schadstoffkonzentration.
Ein weiterer Effekt, welcher nur bei hohen Verbrennungstemperaturen eintritt, ist die Verglasung der Verbrennungsasche, d. h. dass die bei der Verbrennung entstehenden Verbrennungsprodukte einen glasartigen Zustand annehmen. Beim Entstehen dieses glasartigen Zustands, der insbesondere als kugelförmige Aschepartikel zu erkennen ist, werden Oxide in die Aschepartikel eingeschlossen, die ansonsten im Abgas verbleiben würden. Bekannterweise sind beispielsweise Schwefeloxide nicht verbrennbar, jedoch schädlich für die Umwelt. Durch die erreichte Hochtemperaturverbrennung liegen weiterhin sehr wenige Kohlenmonoxide vor, die normalerweise bei der Verbrennung eines kohlenstoffbasierten Brennstoffes entstehen. Gleichzeitig ist die Konzentration an Stickoxiden (einfache oder mehrwertige) sehr gering, da diese durch die hohen Verbrennungstemperaturen im Wesentlichen zu Stickstoffdioxid aufoxidiert werden. Gleiches gilt für das Kohlenmonoxid, welches analog zu Kohlendioxid aufgrund der hohen Verbrennungstemperaturen aufoxidiert wird. Bekanntermaßen ist die Verbrennung von Kohlenstoffen umso vollständiger, je höher die Temperatur der Verbrennung ist.
In einer weiteren Ausführungsform sieht die erfindungsgemäße Verbrennungsvorrichtung einen zusätzlichen Abgaskatalysator vor, der aber für die Einhaltung der derzeitigen gesetzlichen Grenzwerte nicht notwendig ist. Mit einem solchen Abgaskatalysator können die Abgaswerte noch weiter verbessert, d. h. verringert werden. Speziell der Stickoxidgehalt kann mittels eines Katalysators weiter verringert werden. Ebenfalls vom Erfindungsgedanken eingeschlossen ist die Verwendung eines Feinstaubfilters in der Abgasleitung, welcher bevorzugt vor einem zweiten Ventilator zum Ausblasen des Abgases angeordnet ist. Durch die erfindungsgemäße Hochtemperaturverbrennung entsteht jedoch sehr wenig Feinstaub, so dass ein Einsatz eines Feinstaubfilters ebenfalls nicht zwingend für die Einhaltung der derzeitigen Grenzwerten notwendig ist. Die derzeitigen Grenzwerte können aber in einer Zukunft geringer werden, so dass es evtl. bevorzugt ist, Feinstaubfilter und/oder Abgaskatalysatoren einzusetzen.
Der Austrag der Abgase über eine Abgasleitung, insbesondere über einen Kamin, erfolgt bevorzugt mit einer gesteuerten Zwangsführung durch den zweiten Ventilator, welcher in Abgasausströmrichtung nach dem zweiten Abgaswärmetauscher angeordnet ist. Mit dem zweiten Abgasventilator kann speziell die Temperatur in der Brennkammer geregelt werden, indem der zweite Ventilator mehr oder weniger Abgas durch die Abgasleitung saugt bzw. in die Umgebung abgibt. Selbstredend muss der zweite Ventilator mit dem ersten Ventilator zusammenwirken und entsprechend gesteuert werden. Da die Brennluftzufuhr ebenfalls entscheidend für eine gute Verbrennung in der Brennkammer ist, kann der zweite Ventilator beispielsweise so gesteuert werden, dass er über den Restsauerstoffgehalt im Abgas seine Strömungsleistung regelt und in Abhängigkeit davon, der erste Ventilator ausreichend Brennluft von der Umgebung ansaugt. Die Steuerung der beiden Ventilatoren ist weiter abhängig von der Brennstoffzufuhr, da der Brennstoff die gespeicherte und somit in Wärme umwandelbare Energie einbringt und den Sauerstoffbedarf für die Verbrennung vorgibt.
Welche Energiemenge letztendlich notwendig ist, wird durch das Fluid, welches im ersten Abgaswärmetauscher durch die heißen Verbrennungsgase der Brennstoffverbrennung erwärmt wird, vorgegeben. So ist die Durchströmung des ersten Abgaswärmetauschers mit einem Arbeitsfluid, welches insbesondere für das Betreiben einer Dampfmaschine verdampft werden kann, ausschlaggebend für die Menge an einzusetzendem Brennstoff, was wiederum die Brennluftmenge und die Abgasmenge bestimmt. Durch die Verbrennung kohlenstoffbasierten Brennstoffs entstehen, wie bereits oben angedeutet, Kohlen-, Stickstoff- und Schwefeloxide, welche nach der Verbrennung meist gasförmig vorliegen. Bei bekannter, genau bestimmbarer Zusammensetzung des eingesetzten Brennstoffs kann somit die für die Verbrennung notwendige Brennluftmenge, als auch die durch die Abgasleitung abzugebende Abgasmenge bestimmt werden. Bevorzugt wird man jedoch die Abgas- bzw. Frischluftmenge über den Restsauerstoffgehalt bzw. die Verbrennungstemperatur regeln, wodurch ebenfalls eine genaue Regelung der Brennluftzufuhr möglich ist. In vielen Fällen wird man die genaue Zusammensetzung des Brennstoffs, insbesondere bei gemischter Biomasse, nicht kennen, da insbesondere deren Gehalt an Kohlenstoffen bzw. deren Energiegehalt und Feuchtgehalt stark variiert.
Mit der erfindungsgemäßen Verbrennungsvorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verbrennungsverfahren können alle Arten von kohlenstoffbasierten Brennstoffen verarbeitet werden, da das Verfahren bzw. die Vorrichtung flexibel auf jede Art von Brennstoff durch Einstellen der zugeführten Brennluft, der abgeführten Abgase und der zugeführten Brennstoffmenge einfach und zuverlässig einstellbar ist. Dabei ist gewährleistet, – speziell durch die vierstufige Brennluftvorwärmung – dass die Verbrennung in einem Hochtemperaturbereich erfolgt, wobei ein Geringstmaß an Schadstoffen im Abgas entsteht. Besonders hervorzuheben ist, dass bei der Hochtemperaturverbrennung durch das erfindungsgemäße Verbrennungsverfahren die Aschepartikel verglasen und so die Schwefel- und Stickoxide in den Aschepartikeln einschließen, welche sich im Brennraum bilden. Diese umweltschädlichen Stick- und Schwefeloxide werden dann als „Feststoffe” über die Ascheaustragvorrichtung ausgetragen. Die so ausgetragenen Stoffe können dann in einfacher Art und Weise einer weiteren Verwertung zugeführt werden, wobei insbesondere die Asche verbrannter Biomasse bevorzugt als Dünger einsetzbar ist.
Damit die im Brennraum verglasenden Aschepartikel die Ascheaustragvorrichtung, insbesondere die Austragrinne und die Transportschnecke der Austragvorrichtung nicht verkleben, wird die Ascheaustragvorrichtung durch die zuströmende bereits zweifach vorgewärmte Brennluft gekühlt, womit die entstehenden Aschepartikel an den Bauteilen der Ascheaustragvorrichtung nicht kleben bleiben. Die Aschepartikel perlen sozusagen, aufgrund des hohen Temperaturunterschieds zur Ascheaustragvorrichtung, an den Bauteilen der Ascheaustragvorrichtung ab, wodurch sie auf einfache Weise, d. h. mit geringem Energiebedarf, aus dem erfindungsgemäßen Erhitzer mittels der Ascheaustragvorrichtung ausgeschoben werden können. Damit hat speziell die dritte Vorwärmstufe einen zweifachen Effekt, der die Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. die Robustheit der erfindungsgemäßen Verbrennungsvorrichtung unterstützt.
Optional kann zum Erreichen eines optimalen Gesamtwirkungsgrades des Fluiderhitzers das zu erwärmende und/oder zu verdampfende Arbeitsmedium, d. h. das eingesetzte zu erhitzende Fluid, beispielsweise in einem dritten Wärmetauscher, der von dem kalten Fluid und von dem abgekühlten Abgas durchströmt wird, vorgewärmt werden, wodurch der Energiebedarf für die letztendlich zu erreichende Temperatur des Fluids verringert wird. Bevorzugt wird ein solcher dritter Abgaswärmetauscher im Abgasstrom nach dem zweiten Wärmetauscher angeordnet sein, womit die aus dem zweiten Wärmetauscher austretenden Abgase, welche weiterhin gegenüber der Umgebung eine erhöhte Temperatur aufweisen, abgekühlt werden, indem sie ihre Wärme an das zu erwärmende Arbeitsmedium, im einfachsten Fall Wasser, abgeben. Durch die weitere Abkühlung der Abgase kann im optimalen Falle erreicht werden, dass die Abgase umweltverträglich mit einer Temperatur entweichen, mit der sie die Umwelt nur wenig belasten.
In einer weiteren optionalen Ausführungsform kann der zugeführte Brennstoff über einen vierten Abgaswärmetauscher ebenfalls vorgewärmt werden. Der vierte Abgaswärmetauscher kann entweder in Abgasabströmrichtung nach dem dritten Abgaswärmetauscher für die Vorwärmung des Arbeitsfluids, oder nach dem zweiten Abgaswärmetauscher für die zweite Vorwärmung der Brennluft, angeordnet sein. Der vierte Abgaswärmetauscher für die Vorwärmung des Brennstoffs kann auch alternativ zum dritten Wärmetauscher für die Vorwärmung des Arbeitsmediums eingesetzt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform für den vierten Abgaswärmetauscher wird man diesen nach dem dritten Abgaswärmetauscher anordnen und einen Brennstoffspeicher im Kreuzstrom durchströmen, in dem beispielsweise feuchte Biomasse gelagert wird, insbesondere Holzschnitzel oder dergleichen. Selbst wenn ein derartiger Brennstoffspeicher mit Abgasen durchströmt wird, die nur einen geringen Temperaturunterschied gegenüber der Brennstofftemperatur aufweisen, so reicht dies einerseits zur Vorwärmung des Brennstoffs aus, wodurch der Wirkungsgrad der Gesamtanlage verbessert werden kann. Andererseits hat es den zusätzlichen Effekt, dass der gegebenenfalls feuchte Brennstoff durch die warmen Abgase getrocknet wird. Allgemein lässt sich sagen, dass der Wirkungsgrad einer Verbrennung für kohlenstoffbasierte Brennstoffe umso effektiver abläuft, je trockener der der Verbrennung zugeführte Brennstoff ist. Mit einer Erwärmung des zuzuführenden Brennstoffes beispielsweise mit einem vierten Abgaswärmetauscher wird eine derartige Trocknung der zugeführten kohlenstoffbasierten Brennstoffe erreicht, wobei die Brennstoffe gleichzeitig in ihrem Temperaturniveau angehoben werden. Beides hat eine Verbesserung der Verbrennungstemperatur zur Folge.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verbrennung von kohlenstoffbasierten Brennstoffen durch die schrittweise Vorwärmung sowohl der Brennluft als auch gegebenenfalls des Brennstoffes in effizienter Weise eine sehr hohe Verbrennungstemperatur erreicht werden kann, mit welcher gleichzeitig eine niedrige Schadstoffkonzentration im Abgas erreicht wird. Durch die hohen Verbrennungstemperaturen ist es möglich, die verbrannten kohlenstoffbasierten Brennstoffe im Abgas zu verglasen, wodurch Stickoxide und Schwefeloxide in der Asche gebunden werden und nicht mit den Abgasen entweichen. Durch die effiziente Ausnutzung der heißen Abgase zur Vorwärmung der Eingangsstoffe für die Verbrennung wird eine effiziente Energieausnutzung des eingesetzten Brennstoffes erreicht und gleichzeitig eine Umweltbelastung durch hohe Temperaturdifferenzen gegenüber der Umgebung vermieden. Damit erreicht der erfindungsgemäße Fluiderhitzer bzw. das erfindungsgemäße Aufheizverfahren nicht nur einen sehr hohen Gesamtwirkungsgrad, sondern trägt insbesondere zu einer sehr umweltverträglichen Energiebereitstellung bzw. -umwandlung bei.
Das von dem erfindungsgemäßen Fluiderhitzer bzw. dem erfindungsgemäßen Aufheizverfahren erwärmte Fluid kann hierbei in allen Verwendungsarten Eingang finden, in denen Wärmeenergie benötigt wird. Dies kann beispielsweise in Heizungsanlagen, Warmwasseraufbereitungsanlagen, Dampferzeugungsanlagen oder industriellen Prozessen der Fall sein, in denen erwärmte oder dampfförmige Medien benötigt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung werden nun anhand einer Figur für ein Ausführungsbeispiel beschrieben, welches den Erfindungsgedanken jedoch nicht begrenzt. Das Ausführungsbeispiel der Figur dient lediglich der besseren Anschaulichkeit und Erläuterung des erfindungsgemäßen Aufheizverfahrens und des erfindungsgemäßen Erhitzers. Weitere Ausführungsformen und Abwandlungen können, wie beispielsweise in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, ebenfalls ausgeführt werden.
Die Figur zeigt eine erfindungsgemäße Verbrennungsvorrichtung in schematischer Darstellung
Der erfindungsgemäße Fluiderhitzer 1 weist gemäß dem in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiel eine Brennkammer 2 auf, die mit einer Isolierung 2i versehen ist. In der Brennkammer 2 wird kohlenstoffhaltiger Brennstoff 20 über eine Brennstoffzuführvorrichtung 3 mittels einer Transportschnecke 35 in die Brennkammer 2 zur Verbrennung des Brennstoffs 20 gefördert. Gleichzeitig wird über Brennluftzuführungen 17 über ein die Brennstoffszuführschnecke 35 umfassendes Rohr 34 Brennluft 18 der Brennkammer 2 zugeführt. In der Brennkammer 2 erfolgt die Verbrennung des zugeführten Brennstoffs 20 mit vierfach vorgewärmter Brennluft 18 mit einer Temperatur bevorzugt über 1200°C, weiter bevorzugt über 1300°C und besonders bevorzugt über 1400°C. Die dabei entstehende Asche 14 verglast bei diesen hohen Temperaturen und bildet körnige, zumindest teilweise verglaste Aschenpartikel 19 aus, die nach unten in eine Ascheaustragvorrichtung 4 fallen. Zum Austragen der Asche 19 weist die Ascheaustragvorrichtung 4 eine Aschetransportschnecke 45 auf, welche die durch die Verbrennung anfallende Asche 19 kontinuierlich aus dem Brennraum 2 austrägt. Gleichzeitig wird das bei der Verbrennung entstehende Abgas 14 über eine Abgasleitung 13 aus dem Brennraum 2 geleitet.
Die über Brennluftzuführungen 17 der Brennkammer 2 zugeführte Brennluft 18 wurde vor ihrem Eintritt in die Brennkammer 2 durch ein vierstufiges Verfahren vorgewärmt und weist bei ihrem Eintritt in die Brennkammer 2 eine Temperatur von bevorzugt mehr als 300°C, weiter bevorzugt mehr als 350°C und besonders bevorzugt mehr als 380°C auf. Diese hohen Temperaturen der vorgewärmten Brennluft werden insbesondere dadurch erreicht, dass die aus der Umgebung angesaugte Brennluft über Brennluftöffnungen 18a und Brennluftzuführungen 17 in das Gehäuse 100 des Erhitzers 1 eingebracht und zunächst bevorzugt in der Isolierung 2i der Brennkammer 2 entlang geführt wird. Zur Brennluftvorwärmung in der Isolierung 2i der Brennkammer 2 sind die Brennluftführung 17 bevorzugt in die Wärmeisolierung der Brennkammer 2 integriert. Zusätzlich, jedoch optional kann Brennluft auch aus dem Inneren des Gehäuses 100, bspw. über einen Ansaugstutzen 16, angesaugt werden. Das Temperaturniveau im Inneren des Gehäuses 100 liegt deutlich über dem der Umgebung des Gehäuses 100, da die isolierten Baugruppen des erfindungsgemäßen Fluiderhitzers trotz einer sehr guten Wärmeisolierung – welche jedoch niemals 100%-ig sein kann – geringe Wärmemengen an das Gehäuseinnere abgeben und so die darin befindliche Luft erwärmen. Dabei sind Temperaturen von 30°C und höher messbar. Selbstredend ist auch das Gehäuse 100 des erfindungsgemäßen Fluiderhitzers gegenüber der Umgebung wärmeisoliert.
Zum Erzeugen einer Brennluftströmung durch die Isolierung 2i der Brennkammer 2 ist ein erster Ventilator 9 vorgesehen, der bevorzugt in Brennluftströmungsrichtung vor dem zweiten Abgaswärmetauscher 5 angeordnet ist, und der die zur Verbrennung bestimmte Brennluft 18 durch die Wärmeisolierung 2i der Brennkammer 2 hindurchsaugt und, optional, vorgewärmte Brennluft 18 zusätzlich aus dem Inneren des Gehäuses 100 über den Ansaugstutzen 16 ansaugt. Auf der Abblasseite des ersten Ventilators 9 wird die vorgewärmte Brennluft 18 weiter über Brennluftzuführungen 17 einem zweiten Abgaswärmetauscher 6 zugeführt, durch welchen die nun einmal vorgewärmte Brennluft 18 bevorzugt im Gegenstrom mit den heißen Abgasen 14, die aus dem ersten Abgaswärmetauscher 5 ausströmen, in einer zweiten Vorwärmstufe weiter vorgewärmt wird. Im ersten Abgaswärmetauscher 5 strömt dabei das heiße bei der Verbrennung entstehende Abgas 14 als wärmeabgebendes Medium und das durch den Fluiderhitzer zu erwärmende Fluid 12 als wärmeaufnehmendes Medium im Kreuz- oder Gegenstrom.
Nach Verlassen der zweiten Vorwärmstufe, d. h. des zweiten Abgaswärmetauschers 6 wird die so nun zweifach vorgewärmte Brennluft 18 über weitere Brennleitungen 17 weiter zur Ascheaustragvorrichtung 4 geleitet. Die Ascheaustragvorrichtung 4 weist Hohlräume 40 auf, durch den die Brennluft 18 strömen und sich erwärmen kann. Das Durchströmen der Brennluft 18 durch die Hohlräume 40 der Ascheaustragvorrichtung 4 stellt somit eine dritte Vorwärmstufe dar, welche die Brennluft weiter erwärmt. Nach Durchströmen der Hohlräume 40 wird die nun dreimal vorgewärmte Brennluft 18 über weitere Brennluftführungen 17 der Brennstoffzuführvorrichtung 3 zugeführt. Dort tritt sie in Hohlräume 30 der Brennstoffzuführvorrichtung ein, die beispielsweise als ein Ringspalt 30 ausgebildet sind, der durch ein die Brennstoffführungsvorrichtung 3 umgebenden Rohres 33 und ein das Rohr 33 koaxial umgebendes Rohr 34 gebildet wird. Das Rohr 34, durch den die Brennluft 18 in die Brennkammer 2 eintreten kann, wird dabei von der Verbrennung zumindest durch die Strahlungswärme erhitzt, wodurch die Verbrennungsluft 18 vor dem Eintritt in die Brennkammer 2 ein viertes Mal vorgewärmt wird.
Diese vierte Vorwärmstufe endet dabei bevorzugt an der Feuerungsstelle, an der auch der Brennstoff 20 zugeführt wird. In Abhängigkeit von der Art der Brennstoffzuführung, welche wiederum abhängig vom verwendeten Brennstoff 20 ist, gelangt die Verbrennungsflamme direkt bis an das Rohr 34 oder ist von dieser beabstandet. Beispielsweise wird bei der Verwendung gasförmiger Brennstoffe die Flamme durch den Überdruck der Gaszuführung in den meisten Fällen beabstandet vom Rohrende des Rohres 34 sein und das Rohr 34 nicht direkt beaufschlagen. Jedoch wird auch in diesem Falle das Rohr 34 zumindest durch die Strahlungswärme erhitzt, wodurch die vierte Vorwärmstufe selbst bei der Verwendung von gasförmigen kohlenstoffbasierten Brennstoffen 20 verwirklicht wird.
Das bei der Verbrennung entstehende Abgas 14 wird, wie in der Figur dargestellt, bevorzugt über Schikanen bzw. Prallflächen in der Brennkammer 2 umgeleitet und dem Ausgang der Brennkammer 2 zugeleitet und gelangt dann über eine Abgasableitung 13 in den ersten Abgaswärmetauscher 5. Der erste Abgaswärmetauscher 5 wird dabei vom zu erwärmenden und/oder zu verdampfenden Fluid 12 durchströmt, welches zumindest teilweise die Wärmeenergie des Abgases 14 aufnimmt. In der Figur ist dabei ein Kreuzstromwärmetauscher beispielhaft dargestellt, wobei das Fluid 12 im oberen Teil des ersten Abgaswärmetauschers 5 eintritt und den Wärmetauscher 5 im unteren Bereich verlässt. Bei Verlassen des Wärmetauschers 5 hat das Fluid 12 bevorzugt eine für die Weiterverwendung vorgegebene Temperatur. Durch Steuerung der Durchflussgeschwindigkeit des Fluids 12 und/oder des Abgases 14 durch den ersten Abgaswärmetauscher 5 können die Temperaturen der beiden Medien, insbesondere die Fluidaustrittstemperatur, beeinflusst werden.
Wie weiter in der Figur dargestellt, erreicht das Fluid 12 in einem anderen optionalen Ausführungsbeispiel bereits vorgewärmt den ersten Abgaswärmetauscher 5, wobei die Vorwärmung in einem dritten Abgaswärmetauscher 7 erfolgt. Der dritte Abgaswärmetauscher ist in der Figur beispielsweise als Gegenstromrohrwendelwärmetauscher 7 dargestellt, in dem das aus dem zweiten Abgaswärmetauscher 6 austretende Abgas 14 als wärmeabgebendes Medium im Gegenstrom zum wärmeaufnehmenden kalten Fluid 12 geführt wird. Hiermit wird zum einen erreicht, dass das Fluid 12 vorgewärmt wird, wodurch der Energieaufwand zum Erreichen einer vorbestimmten Temperatur am Austritt des Fluids 12 aus dem erfindungsgemäßen Fluiderhitzer 1 erzielt wird. Andererseits wird erreicht, dass die Abgastemperatur weiter gesenkt wird, wodurch Beeinflussungen, aufgrund hoher Temperaturunterschiede, mit der Umwelt vermieden werden.
In einer weiteren optionalen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbrennungsvorrichtung wird das Abgas 14 nach Verlassen des dritten Abgaswärmetauschers 7 – so wie dies rein beispielhaft in der Figur dargestellt ist – einem vierten Abgaswärmetauscher 8 zugeführt, in dem das Abgas 14 den für die Verbrennung bestimmten Brennstoff 20 vorwärmt. In der Figur ist die Brennstoffvorwärmung durch den vierten Abgaswärmetauscher 8 als gewendelte Abgasleitung 13 in einem Brennstoffspeicher beispielhaft dargestellt, was aber nur eine von vielen Möglichkeiten darstellt. Eine solche Ausführungsform ist beispielsweise dann denkbar, wenn der für die Verbrennung bestimmte Brennstoff 20 ein Schüttgut ist, beispielsweise Holzpellets. Es können aber auch Holzschnitzel oder andere feuchte Biomasse verwendet werden. Wird feuchte Biomasse verwendet, so kann durch die erfindungsgemäße Durchleitung einer Abgasrohrwendel durch den Brennstoffspeicher der Feuchtigkeitsgehalt des Brennstoffes 20 reduziert werden, was wiederum den Brennwert/Heizwert des eingesetzten Brennstoffes 20 steigert und damit den Wirkungsgrad des gesamten Fluiderhitzers anhebt.
Beispielhaft ist in der Figur nach dem vierten Abgaswärmetauscher 8 ein zweiter Ventilator 10 vorgesehen, welcher der Zwangsführung des Abgases 14 dient, bzw. der gewährleistet, dass das Abgas durch die einzelnen Abgaswärmetauscher gesaugt wird. Da sowohl der dritte Abgaswärmetauscher 7 als auch der vierte Abgaswärmetauscher 8 optional sind, kann das zweite Gebläse 10 direkt nach dem zweiten Abgaswärmetauscher 6 angeordnet sein, und das bei der Verbrennung entstehende Abgas 14 über die Abgasleitung 13 aus dem Fluiderhitzer herausleiten. Weiter optional kann, speziell bei Anordnung eines dritten und/oder gar vierten Abgaswärmetauschers 7 und/oder 8, ein zusätzliches Gebläse 11 in der Abgasableitung 13 zwischen dem zweiten und dem dritten Abgaswärmetauschers 6 und 7 vorgesehen werden, damit eine kontrollierte Abgasführung aufgrund der Erhöhung der Strömungswiderstände gewährleistet ist.
Mit der um den erfindungsgemäßen Fluiderhitzer 1 dargestellten Linie 100 wird angedeutet, dass die gesamte Verbrennungsvorrichtung innerhalb eines Gehäuses 100 mit einer Isolierung 100i aufgenommen ist, wodurch die einzelnen Baugruppen, welche für sich alleine zusätzlich isoliert sind, darüberhinaus gegenüber der Umgebung weiter isoliert werden. Im Betrieb einer erfindungsgemäßen Verbrennungsvorrichtung können somit innerhalb der Isolierung 100i Temperaturen im Bereich zwischen 30°C und 80°C in einzelnen Fällen sogar noch mehr, auftreten, welche wiederum dafür sorgen, dass die der Verbrennung zuzuführenden Produkte, d. h. der Brennstoff 20 sowie die Brennluft 18 als auch das zu erwärmende Arbeitsfluid 12 effektiv vorgewärmt werden und so der Energiebedarf für die zu erzielende Erwärmung bzw. Verdampfung des Arbeitsfluids 12 auf ein Minimum reduziert wird. Dies ist gleichbedeutend mit einem größtmöglichen Wirkungsgrad für die Umwandlung von festem, flüssigem oder gasförmigme Brennstoff 20 Form mit einem vorgegebenen Heizwert in Wärmeenergie, welche in Form des erhitzten Fluids 12 beispielsweise zur Erzeugung mechanischer oder elektrischer Energie verwendet werden kann oder der Erwärmung von Gebäuden oder anderen Medien zur Verfügung steht.
Der in der Figur dargestellte erfindungsgemäße Fluiderhitzer 1 zeigt dabei lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel, welches den Erfindungsgedanken der vierstufigen Vorwärmung der Brennluft 18 zum Erzielen einer Hochtemperaturverbrennung mit Ascheverglasung zur Schadstoffreduzierung in den Abgasen 14 nicht einschränkt.
Bezugszeichenliste

1: Fluiderhitzer
2: Brennkammer
2i: Isolierung Brennkammer
3: Brennstoffzuführvorrichtung
4: Ascheaustragvorrichtung
5: erster Abgaswärmetauscher
6: zweiter Abgaswärmetauscher
7: dritter Abgaswärmetauscher
8: vierter Abgaswärmetauscher
9: erster Ventilator
10: zweiter Ventilator
11: dritter Ventilator
11a: Feinstaubfilter
11b: Abgaskatalysator
12: (Arbeits-)Fluid
12a: Öffnung für Fluidzufuhr
13: Abgasableitung
14: Abgas
14a: Öffnung für Abgasableitung
16: Ansaugstutzen für Brennluft
17: Brennluftzuführleitungen
18: Brennluft
18a: Öffnung für Brennluftzufuhr
19: Asche(-partikel)
19a: Öffnung für Ascheableitung
20: Brennstoff
20a: Öffnung Brennstoffzufuhr
30: Hohlräume in Brennstoffzuführvorrichtung
33: Rohr
34: Rohr
35: Transportschnecke für Brennstoff
40: Hohlräume in Ascheaustauschvorrichtung
44: Rinne
45: Transportschnecke für Ascheaustrag
100: Gehäuse Fluiderhitzer
100i: Isolierung Verbrennungsvorrichtung

Claims

Verfahren zum Erhitzen eines Fluids (12) durch Verbrennung von kohlenstoffbasierten Brennstoffen mit einer in einem wärmeisolierten Gehäuse (100) aufgenommenen Verbrennungsvorrichtung aufweisend eine Brennkammer (2), eine Brennstoffzuführvorrichtung (3), eine Ascheaustragvorrichtung (4) sowie einen ersten (5) und einen zweiten Abgaswärmetauscher (6), wobei die für die Verbrennung bestimmte Brennluft (18) über Öffnungen (18a) in das Gehäuse (100) geleitet wird, in dem die Brennluft (18): – zunächst in einer ersten Vorwärmstufe durch einen ersten Ventilator (9) entlang einer Isolierung (2i) der Brennkammer (2) in Bennluftzuführungsleitungen (17) zwangsgeführt und/oder von dem ersten Ventilator (9) innerhalb des Gehäuses (100) in Bennluftzuführungsleitungen (17) gesaugt wird, – in einer zweiten Vorwärmstufe mittels des zweiten Abgaswärmetauschers (6) weiter erwärmt wird, wobei der zweite Abgaswärmetauscher (6) mit der erwärmten Brennluft (18) nach der ersten Vorwärmstufe und mit heißen aus dem ersten Abgaswärmetauscher (5) austretenden Abgasen (14) durchströmt wird, wobei der erste Abgaswärmetauscher (5) zur Erwärmung und/oder zur Verdampfung des Fluids (12) dient und mit den heißen Abgasen (14) der Verbrennung durchströmt wird, – in einer dritten Vorwärmstufe durch Hindurchleiten der in der zweiten Vorwärmstufe erwärmten Brennluft (18) durch Hohlräume (40) in der Ascheaustragvorrichtung (4) weiter erwärmt wird, wobei die Ascheaustragvorrichtung (4) von der durchströmenden Brennluft (18) gekühlt wird, und – in einer vierten Vorwärmstufe durch Hindurchleiten der in der dritten Vorwärmstufe erwärmten Brennluft (18) durch Hohlräume (30) in der Brennstoffzuführvorrichtung (3) noch weiter erwärmt der Brennkammer zugeführt wird, wobei die Hohlräume (30) in der Brennstoffzuführvorrichtung (3) zumindest durch die Strahlungswärme der Verbrennung erhitzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Brennluft (18) von dem ersten Ventilator (9) dem zweiten Abgaswärmetauscher (6) als wärmeaufnehmendes Fluid (12) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Abgase (14) nach der Verbrennung durch einen zweiten Ventilator (10) zwangsgeführt über eine Abgasableitung (13) aus der Verbrennungsvorrichtung ausgebracht werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Durchsatz an Brennluft (18) über den ersten Ventilator (9) derart gesteuert wird, dass die Brennlufttemperatur nach dem Austritt aus der Ascheaustragvorrichtung (4) mehr als 300°C, bevorzugt mehr als 350°C, besonders bevorzugt mehr als 380°C beträgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Durchsatz der Abgase (14) durch die Abgasleitung (13) über den zweiten Ventilator (10) derart gesteuert wird, dass die Verbrennungstemperatur der Verbrennung des kohlenstoffbasierten Brennstoffs (18) mehr als 1200°C, bevorzugt mehr als 1300°C, besonders bevorzugt mehr als 1400°C beträgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das durch die Verbrennung zu erwärmende und/oder zu verdampfende Fluid (12) in einem dritten Abgaswärmetauscher (7), der von dem kalten Fluid (12) und von dem Abgas (14) durchströmt wird, vorgewärmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der zu verbrennende Brennstoff (18) in einem vierten Abgaswärmetauscher (8), der von dem Brennstoff (20) und von dem Abgas (14) durchströmt wird, vorgewärmt wird.
Fluiderhitzer (1) zum Erwärmen und/oder Verdampfen eines Fluids durch Verbrennung von kohlenstoffbasierten Brennstoffen (20) aufweisend ein Gehäuse (100) mit Brennlufteinlassöffnungen (18a), eine wärmeisolierte Brennkammer (2), eine Brennstoffzuführvorrichtung (3), eine Ascheaustragvorrichtung (4) sowie einen ersten Abgaswärmetauscher (5) zum Erwärmen und/oder Verdampfen des Fluids (12) und einen zweiten Abgaswärmetauscher (6) in einer Abgasableitung (13), der mit den Abgasen (14) aus dem ersten Abgaswärmetauscher (5) kommend durchströmbar ist, wobei zwischen der Wärmeisolierung (2i) der Brennkammer (2) Brennluftführungen (17) für ein erstes Vorwärmen von Brennluft (18) vorgesehen sind, und die vorgewärmte Brennluft (18) von einem ersten Ventilator (9) zwangsgeführt über weitere Brennluftführungen (17) von der ersten Vorwärmung zu einer zweiten Vorwärmung durch den zweiten Abgaswärmetauscher (7) und weiter zu einer dritten Vorwärmung durch Hohlräume (40) in der Ascheaustragvorrichtung (4) und weiter zu einer vierten Vorwärmung durch Hohlräume (34) in der Brennstoffzuführvorrichtung (3) in die Brennkammer (2) einleitbar ist.
Fluiderhitzer (1) nach Anspruch 8, bei dem der erste Ventilator (9) zur Zwangführung der Brennluft (18) in den Brennluftführungen (17) in Brennluftstömungsrichtung nach der Isolierung (2i) der Brennkammer (2) und vor dem zweiten Abgaswärmetauscher (6) angeordnet ist.
Fluiderhitzer (1) nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die Brennluftführungen (17) in der Wärmeisolation (2i) der Brennkammer (2) integral ausgebildet sind.
Fluiderhitzer (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem in der Abgasableitung (13) in Strömungsrichtung der Abgasableitung nach dem zweiten Abgaswärmetauscher (6) ein dritter Abgaswärmetauscher (7) zum Vorwärmen des Fluids (12) vorgesehen ist.
Fluiderhitzer (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem in der Abgasableitung (13) in Strömungsrichtung der Abgasableitung nach dem zweiten Abgaswärmetauscher ein vierter Abgaswärmetauscher zum Vorwärmen des Brennstoffs vorgesehen ist.
Fluiderhitzer (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei dem die Brennstoffzuführvorrichtung (3) durch eine koaxial in einem Rundrohr (33) geführte Transportschnecke (35) ausgebildet ist, wobei das Rundrohr (33) von einem weiteren Rohr (34) für die Brennluftzuführung zur Brennkammer (2) über einen Ringspalt (30) erfolgt.
Fluiderhitzer (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, bei dem die Ascheaustragvorrichtung (4) eine Transportschnecke (45) zum Ascheaustrag aufweist, die in einer nach oben zur Brennkammer (2) hin offenen Rinne (44) geführt ist, wobei die Rinne (44) in Längsrichtung ausgebildete Hohlräume (40) aufweist, durch die die Brennluft (18) zur Vorwärmung leitbar ist.
Fluiderhitzer (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 14, bei dem der erste (5), der zweite (6), der dritte (7) und/oder der vierte Abgaswärmetauscher (8) Kreuzstromwärmetauscher oder Gegenstromwärmetauscher sind.
Fluiderhitzer (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 15, bei dem in der Abgasableitung (13) in Strömungsrichtung der Abgasableitung vor dem zweiten Ventilator (10) ein Feinstaubfilter (11a) und/oder Abgaskatalysator (11b) zur Abgasreinigung vorgesehen ist.
Fluiderhitzer (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 16, bei dem der erste Abgaswärmetauscher (5) für die Erwärmung und/oder Verdampfung des Fluids (12) als ein im wesentlichen gerades Rohr, eine gewendelte Rohschlange oder als Plattenwärmetauscher ausgebildet ist, der vom Fluid (12) durchströmt wird.