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Die Erfindung betrifft ein Verfahren für eine ökologisch/energetische Verwertung des Kohlenstoffs, welcher in kohlenstoffhaltigen Aschen enthalten ist und eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
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Derartige Aschen entstehen bei industriellen Verfahren, in welchen in einem Kraftwerk unter anderem Biomassen unterschiedlicher Zusammensetzung einem Vergasungsprozess unterworfen werden, um insbesondere die als Festbrennstoff vorliegende Biomasse in einen gasförmigen Sekundärrohstoff umzuwandeln, der in verschiedenen Nutzungsoptionen wie beispielsweise der Stromer-zeugung oder als Kraft- und Treibstoff (Brenngas) bzw. für die Nutzung als Synthesegas effizienter eingesetzt werden kann.
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Unter Biomassevergasung wird ein Prozess verstanden, bei dem Biomasse mit Hilfe eines Vergasungs- oder Oxidationsmittels (meist Luft, Sauerstoff, Kohlendioxid oder Wasserdampf) durch eine Verschwelung in ein Produkt- oder Brenngas umgewandelt wird. Da sowohl historisch, als auch aktuell, vor allem Holz als Biomasse zum Einsatz kommt, spricht man in der Regel auch von Holzvergasung.
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Bei der Holzvergasung finden Pyrolysevorgänge statt, das heißt eine thermochemische Spaltung organischer Verbindungen, wobei durch hohe Temperaturen (500–900°C) ein Bindungsbruch innerhalb großer Moleküle in kleinere erzwungen wird. Bei sauerstoffhaltigen Brennstoffen, beispielsweise bei Biobrennstoffen wie Holz mit einem Sauerstoffanteil von etwa 44 Massen-Prozent, können jedoch trotzdem Oxidationsreaktionen an den Zersetzungsprozessen beteiligt sein.
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Bei derartigen Vergasungsprozessen fallen in größeren Aschemengen an, welche teilweise einen Anteil von bis zu 80 Prozent Kohlenstoff aufweisen. Dieser Kohlenstoff ist größtenteils von staubförmiger Konsistenz, wodurch sich Probleme bei der Entsorgung dieses Abfalls ergeben.
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Eine Entsorgung von Verbrennungsabfällen dieser Art ist relativ teuer und stellt einen wesentlichen Teil der Betriebskosten eines Heizkraftwerkes, in dem die Vergasung von Biomassen zur Energiegewinnung vorgenommen wird, dar.
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Aus der Patentliteratur ist eine Mehrzahl von Lösungen bekannt, bei denen verschiedene Möglichkeiten für eine sinnvolle Verwertung von bei Vergasungs-Prozessen, beispielsweise durch einer Vergasung von Biomasse u. a. Holzabfälle, als Nebenprodukt anfallenden kohlenstoffhaltigen Aschen vorgeschlagen werden.
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Als Beispiele können die Lösungen
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- – aus der deutschen Patentschrift DE 42 31 838 C1 , wo vorgeschlagen wird, die Holzasche unter Verwendung von Leim, Wasserglas und Kaolinpulver zu einem holzähnlichen Werkstoff zu verarbeiten,
- – aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 103 30 713 A1 bzw. der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2009 047445 A1 , wo die Verwendung der Bestandteile von Holzasche bzw. Pyrolysekoks zur Herstellung von Düngemitteln vorgeschlagen wird,
- – aus der amerikanischen Patentanmeldung US-PS 4 174 974 , in welcher ein Verfahren zur Verwendung der bei einem Entgasungsprozess anfallenden kohlenstoffhaltiger Asche bei der Produktion von Portland-Zement beschrieben wird,
- – aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 199 30 071 A1 , wo ein Verfahren zur Pyrolyse und Vergasung von organischen Stoffen erläutert wird, bei welchem feste, kohlenstoffhaltige Rückstände aus der in einem Drehrohrreaktor unter Zufuhr von heißem Wirbelbettmaterial durchgeführten Pyrolyse in einem Wirbelschichtreaktor verbrannt werden und zur Aufheizung von Wirbelbettmaterial dienen,
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- – aus dem europäischen Patent EP 1 053 291 B1 oder auch dem amerikanischen Patent US 4 568 362 , in denen ein Verfahren zur Vergasung von organischen Stoffen oder Stoffgemischen beschrieben wird. Hierbei werden entstehende feste, kohlenstoffhaltige Rückstände vom Wärmeträger abgetrennt und in einer Feuerung verbrannt, wobei der Wärmeträger durch Feuerungsabgase aufgeheizt wird,
genannt werden.
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Die Lösungen, welche in den vorstehend gelisteten Schutzdokumenten veröffentlicht sind, weisen im Hinblick auf eine einfach zu erreichende energetische Verwertung der bei Vergasung von, insbesondere Holzbestandteile enthaltender, Biomasse mehrere wesentliche Nachteile auf.
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Diese bestehen zum einem insbesondere darin, dass gemäß der deutschen Patentschrift
DE 42 31 838 C1 und der deutschen Offenlegungsschriften
DE 103 30 713 A1 bzw.
DE 10 2009 047445 A1 vor allem der energetische Verwertung der in der kohlenstoffhaltigen Asche in keiner Weise Beachtung geschenkt wird.
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Andererseits werden in den in dem europäischen Patent
EP 1 053 291 B1 , dem amerikanischen Patent
US 4 568 362 oder der deutschen Offenlegungsschrift
DE 199 30 071 A1 Anlagen zusätzliche technische Einrichtungen erforderlich, um die energetische Verwertung der Kohlenstoffasche vornehmen zu können.
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Ausgehend von den genannten Mängeln des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für eine ökologisch/energetische Verwertung des Kohlenstoffs, welcher in kohlenstoffhaltigen, bei Vergasung von, insbesondere holzhaltiger, Biomassen entstehenden Aschen enthalten ist und eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens anzugeben. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die energetische Verwertung der Asche in einer Wärme und Elektroenergie erzeugenden Anlage, beispielsweise einem Blockheizkraftwerk, derart erfolgen kann, dass keine zusätzlichen, die Kohlenstoffasche verbrennenden Aggregate in dieser Anlage erforderlich sind.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung soll darüber hinaus auf einfache Weise eine Möglichkeit geschaffen werden, die in einer Wärme und Elektroenergie erzeugenden Anlage, beispielsweise einem Blockheizkraftwerk (BHKW), vorhandenen technischen Einrichtungen durch modifiziertes Nachrüsten multivalent zu nutzen und dadurch auf vorteilhafte Weise zusätzliche Investitionen bei einer vorgesehenen energetischen Nutzung von Kohlenstoff enthaltenden Aschen zu vermeiden.
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Ein Blockheizkraftwerk ist eine modular aufgebaute Anlage zur Gewinnung elektrischer Energie und Wärme, die vorzugsweise am Ort des Wärmeverbrauchs betrieben wird, aber gegebenenfalls auch Nutzwärme in ein Nahwärme-Netz einspeisen kann.
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Der wirtschaftliche und ökologische Grundgedanke eines Blockheizkraftwerkes bei wärmegeführten Betriebsweise liegt darin, erzeugte Wärme vollständig und möglichst auch den Strom vor Ort zu nutzen. Sie setzt dazu das Prinzip der Wärme-Kraft-Kopplung ein, wobei als Antrieb für den Stromerzeuger werden u. a. Verbrennungsmotore, d. h. Diesel- oder Gasmotore verwendet werden.
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Diese Aufgabe wird durch die in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 beschriebenen Merkmale gelöst. In den Unteransprüchen sind weitere, anwendungsbezogene Präzisierungen beschrieben.
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Entsprechend der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird verfahrensgemäß die zur ökologisch/energetischen Verwertung vorgesehene Asche, insbesondere eine Asche mit hohem Kohlenstoffgehalt, welche bei einer pyrolytischen Verbrennung und/oder bei einem Holzvergasungsprozess als Abfallprodukt anfällt, dem Abgas-System eines Verbrennungsmotors zugeführt, wobei das Abgas-System des Verbrennungsmotors mehrkanalig, bevorzugt zweikanalig, ausgebildet wird. In einem der Abgas führenden Kanäle des Abgas-Systems wird eine Verbrennung der zugeführten kohlenstoffhaltigen Asche vorgenommen, um die Temperatur des Abgases des Verbrennungsmotors erheblich zu erhöhen. Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn das Abgas-System eines Verbrennungsmotors benutzt wird, welcher einen Teil der technischen Ausrüstung einer bereits bestehenden Energieversorgungsanlage, beispielsweise eines Blockheiz-Kraftwerks, bildet.
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Die kohlenstoffhaltige Asche wird dem mit der Einrichtung zur Verbrennung der Asche ausgerüsteten Abgaskanal des zweikanaligen Abgas-System des Verbrennungsmotors über eine Asche-Einspeisevorrichtung zugeführt. Die Asche-Einspeisevorrichtung wird verfahrensgemäß über eine Aschemühle und einen Schneckenförderer mit kohlenstoffhaltiger Asche versorgt.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird als Verbrennungsmotor ein Diesel-Motor eingesetzt.
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Entsprechend einer Weiterbildung der Erfindung wird als Verbrennungsmotor ein Otto-Motor eingesetzt. Hierbei ist es für eine einwandfreie Verbrennung der kohlenstoffhaltigen Asche von besonderem Vorteil, wenn dem zur Ascheverbrennung vorgesehenen Kanal des Abgas-Systems des Otto-Motors zur Sicherung der Verbrennungsvorgangs vorgewärmte Druckluft über die Asche-Einspeisevorrichtung zugeführt wird. Dabei kann die Druckluft ständig oder gepulst bereitgestellt werden.
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Entsprechend einer zusätzlichen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die dem Abgas-System des Verbrennungsmotors zugeführte Asche in einer, innerhalb eines Kanals des mehrkanaligen Abgas-Systems positionierten und ein poröses Medium aufweisenden Verbrennungseinrichtung temperatur- und druckkontrolliert verbrannt. Dabei wird durch eine motornahe Anordnung der Verbrennungseinrichtung, bevorzugt im Bereich des Abgaskrümmers der Verbrennungsmotors, gesichert, dass Ascheteile durch die Strömung der Motorabgase zur Verbrennungseinrichtung transportiert und die hohen Abgastemperaturen des Verbrennungsmotors zur Verbrennungseinleitung ausgenutzt werden können.
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Erfindungsgemäß wird bei dem Verbrennungsverfahren als poröses Medium Aluminiumoxyd oder ein Zirkoniumoxyd eingesetzt. Das poröse Medium wird in ein Drahtgestrick eingebracht und mit dessen Hilfe innerhalb des Abgas führenden und für die Verbrennung vorgesehenen Kanals des Abgas-System ausreichend schwingungssicher befestigt. Durch die hohe Temperatur der Abgase ist das poröse Medium, welches eine große Oberfläche aufweist, permanent glühend.
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Überraschend wurde festgestellt, dass die poröse Struktur darüber hinaus einen geringen Durchflusswiderstand aufweist, wodurch das Durchströmen der Abgase in günstiger Weise nicht wesentlich behindert wird. Die aus der Verbrennungseinrichtung abströmenden, eine sehr hohe Temperatur aufweisenden Abgase werden in einem in Strömungsrichtung nachgeordneten Katalysator entgiftet. Das durch die Ascheverbrennung zusätzlich aufgeheizte Abgas wird aus dem Abgas-System einem Abgas-Wärmetauscher zugeführt, um Brauch-Warmwasser zu erzeugen.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es für den Verbrennungsvorgang von Vorteil, wenn die zu verbrennende kohlenstoffhaltige Asche dem Abgas-System feingemahlen und vorgewärmt zugeführt wird.
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Die zur Durchführung des Verfahrens eingesetzte Vorrichtung besteht aus einem Verbrennungsmotor mit einem mehrkanaligen, bevorzugt zwei Kanäle aufweisenden, Abgas-System. Das Abgas-System ist eingangsseitig an den Abgaskrümmer des Verbrennungsmotors angeschlossen. An diesem Anschlusspunkt ist erfindungsgemäß eine Kanal-Umschalteinrichtung vorgesehen, mittels welcher das den Abgaskrümmer des Verbrennungsmotor verlassende Motorabgas in einen der mit Lambdasonde und Katalysator ausgerüsteten Kanal oder in den für die Ascheverbrennung erfindungsgemäß zusätzlich mit einer Verbrennungseinrichtung ausgerüsteten Kanal eingeleitet werden kann. Der für die Ascheverbrennung ausgerüstete Abgaskanal des Abgas-Systems weist eine Asche-Einspeisevorrichtung auf, welcher eine Verbrennungseinrichtung in Strömungsrichtung der Motorabgase nachgeschaltet ist. Die Asche-Einspeisevorrichtung ist eingangsseitig mit einem Transportsystem für die zu verwertende Asche, vorzugsweise einem Schneckenförderer verbunden. Der Schneckenförderer transportiert kleingemahlte und vorgewärmte kohlenstoffhaltige Asche von einem Vorratsbehälter, welche kontinuierlich von einer Aschemühle beschickt wird.
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Der Asche-Einspeisevorrichtung ist erfindungsgemäß in Strömungsrichtung der Motorabgase eine Verbrennungseinrichtung nachgeschaltet, um den Energie-Inhalt der kohlenstoffhaltigen Asche durch Verbrennung weitestgehend zurückzugewinnen. Am Strömungsausgang des Abgas-Systems ist ein Abgas-Wärmetauscher angeschlossen, um den Energiegehalt der durch die Verbrennung hochgradig erhitzten Abgase zur Erzeugung von Brauch-Warmwasser zu nutzen.
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Die Verbrennungseinrichtung besteht erfindungsgemäß aus einem Drahtgestrick, welches mit einem porösen Medium gefüllt ist. Dieses poröse Medium besteht entsprechend der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aus einem Aluminiumoxyd oder einem Zirkoniumoxyd. Diese Stoffe haben einerseits eine sehr große Oberfläche und andererseits einen geringen Strömungswiderstand für die sie durchströmenden Abgase des Verbrennungsmotors. In vorteilhafter Weise werden diese Stoffe außerdem bei den in dem Abgas-System im Bereich des Abgaskrümmers des Verbrennungsmotors vorherrschenden Abgastemperaturen permanent weißglühend und unterstützen in besonders vorteilhafter die Verbrennung der eingebrachten kohlenstoffhaltigen Asche innerhalb des Abgaskanals.
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Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Abgas-System des Otto-Motors mit einer Asche-Einspeisevorrichtung ausgerüstet, welche mit einer externen, Druckluft erzeugenden Einrichtung verbunden ist. Diese Druckluft wird erfindungsgemäß über den Abgaskrümmer des Otto-Motors in den für die Verbrennung der kohlenstoffhaltigen Asche vorgesehenen Kanal des Abgas-Systems ständig oder gepulst eingeleitet, um die Verbrennung zu unterstützen.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind als Merkmale in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
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Es zeigen:
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1 eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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3 eine bevorzugte Ausführungsform der in der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzten Verbrennungseinrichtung in Seitenansicht,
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4 die in 3 gezeigte Verbrennungseinrichtung in Ansicht von oben.
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In 1 ist die bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer Darstellung gezeigt.
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Der in einem Blockheizkraftwerkes eingesetzte Dieselmotor 1 ist über seinen Abgaskrümmer 2 mit einem Abgas-System 3 verbunden. Dieses Abgas-System ist zweikanalig aufgebaut, wobei der erste Kanal 3.1 für einen Betrieb des Dieselmotors 1 im Normalbetrieb, d. h. ohne Verbrennung von kohlenstoffhaltiger Asche 5, vorgesehen ist. Zur üblichen Ausstattung des Abgaskanals 3.1 gehört eine Lambda-Sonde 3.3 und ein Katalysator 3.4.
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Der zweite Kanal 3.2 des Abgas-Systems 3 ist für die Verbrennung der kohlenstoffhaltigen Asche 5 vorgesehen und weist zu diesem Zweck eine Asche-Einspeisevorrichtung 3.5 auf, welche an dem dem Krümmer 2 zugewandten Abschnitt des Abgaskanals 3.2 des Abgas-Systems 3 eingebunden ist. In Strömungsrichtung des Abgases der Asche-Einspeisevorrichtung 3.5 nachfolgend ist eine Verbrennungseinrichtung 3.5 im Inneren des Kanal 3.2 eingebaut.
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Die Asche-Einspeisevorrichtung 3.5 ist eingangsseitig mit einem Schneckenförderer 4.4 des Zuführungs-Systems 4 für die kohlenstoffhaltige Asche 5 verbunden. Der Antriebsmotor des Schneckenförderers 4 ist mit 4.5 bezeichnet. Die kohlenstoffhaltige Asche 5 wird in einer Aschemühle 4.1 gemahlen, um den für die Verbrennung erforderliche Feinheit zu erhalten. Über den Ausgangsstutzen der Aschemühle 4.1 gelangt die kohlenstoffhaltige Asche 5 in einen vorgeheizten Behälter 4.2 und von dort – durch ein Dosierventil 4.3 mengengesteuert – in den Schneckenförderer 4.4. Die Asche-Einspeisevorrichtung 3.8 weist ein nicht näher gezeigtes Strahlrohr auf, dessen Ausgangsöffnung im Bereich des Krümmers 2 des Motors 1 in den Abgaskanal 3.2 mündet. In diesem Bereich ist der Abgasstrom mit einer Temperatur von 550°C bis 700°C am heißesten.
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Zur Verbindung der beiden Abgaskanäle 3.1, 3.2 des Abgas-Systems 3 mit dem Krümmer 2 des Dieselmotors 1 ist eine Kanal-Umschalteinrichtung 3.7 vorgesehen, durch welche auf einfache Weise eine Freigabe eines der beiden Abgaskanäle 3.1, 3.2 und damit die jeweilige Betriebsweise der gesamten Einrichtung – Normalbetrieb oder Betrieb mit Ascheverbrennung – vorgenommen werden kann.
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Die Ascheverbrennung wird druck- und temperaturkontrolliert vorgenommen. Die dazu erforderliche Druckmesseinrichtung ist mit 3.9 bezeichnet, die entsprechenden Temperatur-Messeinrichtungen haben die Positionsnummern 3.10 und 3.11.
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Die durch Verbrennungsprozeß in der Verbrennungseinrichtung 3.5 gezielt aufgeheizten Abgase 9 des Verbrennungsmotors 1 werden einem Abgas-Wärmetauscher 6 zugeführt. Durch den Wärmetauschvorgang kann zugeführtes Kaltwasser 7 als Brauchwarmwasser mit einer gewünschten Temperatur aus dem Abgas-Wärmetauscher 6 abgeführt werden. Die ausgekühlten Abgase des Verbrennungsmotors sind mit 10 bezeichnet.
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Der Aufbau der in einem der Kanäle des Abgas-Systems 3 eingesetzten Verbrennungseinrichtung 3.5 ist beispielhaft in den 3 und 4 in vereinfachter Form dargestellt.
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Die in 2 dargestellte Weiterbildung der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung zeigt eine Anlage zur ökologisch/energetischen Verwertung von kohlenstoffhaltiger Asche, in welcher als Verbrennungsmotor ein Otto-Motor 20 eingesetzt ist. Sowohl das Abgas-System 23 als auch das Asche 5 zuführende System 4 gleichen im wesentlichen dem in 1 dargestellten Systemen. Das Abgas-System 3 weist zwei Abgas führende Kanäle 23.1, 23.2 auf, in welchen eine Lambdasonde 23.3 und ein Katalysator 23.4 bzw. eine Asche-Einspeisevorrichtung 23.8, eine Verbrennungseinrichtung 23.5 und ein Katalysator 23.6 vorgesehen sind. Die heißen Abgase strömen aus dem Abgas-System 23 in den Abgas-Wärmetauscher 6 zur Erzeugung von Brauch-Warmwasser 8 aus zugeführtem Kaltwasser 7.
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Der wesentliche Unterschied dieser Anlage zu der in 1 gezeigten erfinderischen Vorrichtung besteht darin, dass dem Abgas-System 23 die zu verwertende, kohlenstoffhaltige Asche 5 über die Asche-Einspeisevorrichtung 23.8 Druckluft-Unterstützung zugeführt wird. Dazu ist ein Druckluftgenerator 21 vorgesehen, dessen Druckleitung 24 zum Abgaskrümmer 22 des Otto-Motors 20 geführt ist. Vom Abgaskrümmer 22 führt eine durch ein Ventil 25 gesteuerte Leitung zur Asche-Einspeisevorrichtung 4.4, um die Asche 5 durch Druckimpulse oder ständig erhöhtem Druck über die Asche-Einspeisevorrichtung 4.4 in den zur Ascheverbrennung vorgesehen Abgaskanal 23.2 einzubringen.
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Die 3 und 4 zeigen in schematisierter Form eine zylindrische Verbrennungseinrichtung 3.5 in Seitenansicht bzw. in Ansicht von oben. Die Maschenstruktur des Drahtgestricks 3.5a ist sechteckig ausgebildet und weist im Innern Stützstege 3.5b auf. Drahtgestrick 3.5a ist vollständig mit einer porösen Masse 3.5c gefüllt, welche aus einem Aluminiumoxyd oder einem Zirkoniumoxyd besteht. Diese Materialien weisen durch ihre Struktur eine sehr grolle Oberfläche auf. Sie sind in vorteilhafter Weise auch bei Rotglut-Temperaturen thermisch sehr stabil und haben einen sehr geringen Durchflusswiderstand in Bezug auf die Abgasströmung des entsprechenden Motors.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4231838 C1 [0007, 0009]
- DE 10330713 A1 [0007, 0009]
- DE 102009047445 A1 [0007, 0009]
- US 4174974 [0007]
- DE 19930071 A1 [0007, 0010]
- EP 1053291 B1 [0007, 0010]
- US 4568362 [0007, 0010]
