DE102012105099A1 - Lastabhängig betriebene Vorrichtung zur Verbrennung fester biogener Brennstoffe und Verfahren zu deren Betrieb - Google Patents

Lastabhängig betriebene Vorrichtung zur Verbrennung fester biogener Brennstoffe und Verfahren zu deren Betrieb Download PDF

Info

Publication number
DE102012105099A1
DE102012105099A1 DE102012105099A DE102012105099A DE102012105099A1 DE 102012105099 A1 DE102012105099 A1 DE 102012105099A1 DE 102012105099 A DE102012105099 A DE 102012105099A DE 102012105099 A DE102012105099 A DE 102012105099A DE 102012105099 A1 DE102012105099 A1 DE 102012105099A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fuel
combustion
firing
heat
stage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE102012105099A
Other languages
English (en)
Other versions
DE102012105099B4 (de
Inventor
Thomas Knapp
Tobias Seufert
Hans-Joachim Gehrmann
Andreas Gerig
Andreas Wagner
Helmut Seifert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Karlsruher Institut fuer Technologie KIT filed Critical Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority to DE102012105099.6A priority Critical patent/DE102012105099B4/de
Priority to EP13171352.1A priority patent/EP2674673B1/de
Publication of DE102012105099A1 publication Critical patent/DE102012105099A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE102012105099B4 publication Critical patent/DE102012105099B4/de
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23CMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C1/00Combustion apparatus specially adapted for combustion of two or more kinds of fuel simultaneously or alternately, at least one kind of fuel being either a fluid fuel or a solid fuel suspended in a carrier gas or air
    • F23C1/02Combustion apparatus specially adapted for combustion of two or more kinds of fuel simultaneously or alternately, at least one kind of fuel being either a fluid fuel or a solid fuel suspended in a carrier gas or air lump and liquid fuel
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23CMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C1/00Combustion apparatus specially adapted for combustion of two or more kinds of fuel simultaneously or alternately, at least one kind of fuel being either a fluid fuel or a solid fuel suspended in a carrier gas or air
    • F23C1/04Combustion apparatus specially adapted for combustion of two or more kinds of fuel simultaneously or alternately, at least one kind of fuel being either a fluid fuel or a solid fuel suspended in a carrier gas or air lump and gaseous fuel
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23CMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C6/00Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion
    • F23C6/04Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection
    • F23C6/045Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection with staged combustion in a single enclosure
    • F23C6/047Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection with staged combustion in a single enclosure with fuel supply in stages
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23GCREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G5/00Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor
    • F23G5/08Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor having supplementary heating
    • F23G5/14Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor having supplementary heating including secondary combustion
    • F23G5/16Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor having supplementary heating including secondary combustion in a separate combustion chamber
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23CMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2201/00Staged combustion
    • F23C2201/30Staged fuel supply
    • F23C2201/301Staged fuel supply with different fuels in stages
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23GCREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G2204/00Supplementary heating arrangements
    • F23G2204/10Supplementary heating arrangements using auxiliary fuel
    • F23G2204/103Supplementary heating arrangements using auxiliary fuel gaseous or liquid fuel
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23GCREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G2209/00Specific waste
    • F23G2209/26Biowaste

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Solid-Fuel Combustion (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) und ein Verfahren zur Verbrennung fester, biogener Brennstoffe in einer ersten Brennstufe (2) mit einer ersten Zuführeinrichtung (4) des Brennstoffs in ein Brenngutbett (7), einer Primärluftzufuhreinrichtung (8), einer Zündeinrichtung zur Entzündung des Brennstoffs im Brenngutbett (7), einem über dem Brenngutbett (7) vorgesehenen Brennraum (11) sowie einem in einem Wärmestrom des verbrannten Brennguts angeordneten Wärmetauscher (13) mit zumindest einem nachgeschalteten Wärmespeicher. Um eine Verbesserung der Dynamik, einer effizienten Nutzung des Brennstoffs und eines Schadstoffausstoßes zu erzielen, ist die erste Brennstufe (2) als eine Wärmegrundlast kompensierende Brennstufe ausgebildet und eine zweite, Wärmebedarfsspitzen abdeckende Brennstufe (3) mit einer zweiten, im Brennraum (11) selbstentzündlichen Brennstoff eintragenden Zuführeinrichtung (10) vorgesehen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verbrennung fester, biogener Brennstoffe in einer ersten Brennstufe mit einer ersten Zuführeinrichtung des Brennstoffs in ein Brenngutbett, einer Primärluftzufuhreinrichtung, einer Zündeinrichtung zur Entzündung des Brennstoffs im Brenngutbett, einem über dem Brenngutbett vorgesehenen Brennraum sowie einem in einem Wärmestrom des verbrannten Brennguts angeordneten Wärmetauscher mit zumindest einem nachgeschalteten Wärmespeicher.
  • Gattungsgemäße Vorrichtungen sind beispielsweise als Brennkessel zur Verbrennung von Holzpellets, Hackschnitzeln und dergleichen bekannt. Derartige Brennkessel werden betrieben, indem der gestückelte Brennstoff auf ein Brenngutbett dosiert und dort gezündet und verbrannt wird. Ein in dem sich oben anschließenden Brennraum angeordneter, beispielsweise mit Wasser befüllter Wärmetauscher wird dabei erwärmt und gibt das erhitzte Wasser an einen oder mehrere Wärmespeicher ab, aus dem beispielsweise eine Heizung oder eine Brauchwasserleitung gegebenenfalls über weitere Wärmetauscher gespeist wird. Die Zuführung des Brennguts erfolgt mittels Zuführeinrichtung nach dem Quereinschub-, Unterschuboder Abwurfverfahren auf ein Brenngutbett, beispielsweise einen Rost, eine Schale oder einen Tunnel. Beispielsweise ist aus der deutschen Patentschrift Nr. 666 007 eine Rostfeuerung mit einer einzigen Zuführeinrichtung bekannt, bei der ein Teil des Brennguts zerkleinert wird und über dem Brennbett verbrannt wird. Eine getrennte Steuerung des auf den Rost dosierten und über dem Rost verbrannten Brennguts ist nicht vorgesehen. Zur Verbrennung von Holzabfällen in Form von Holzspänen, Sägemehl und stückigen Holzteilen werden in der DE 32 26 877 A1 die Holzabfälle gemeinsam einer Unterschubfeuerung zugeführt. Hierbei werden die stückigen Holzteile über eine Handbefüllöffnung zugeführt und die kleinteiligen Holzabfälle vorverdichtet zugeführt. Durch die Vorverdichtung ist kein dynamischer, schnell ablaufender Brennvorgang möglich. Aus der DE 10 2008 056 019 A1 ist eine Beschickungsvorrichtung für einen Ofen bekannt, bei dem Stückholz vor der Zuführung in den Ofen über einen Fallschacht einer Zerkleinerungseinrichtung zugeführt wird. Die Zuführung erfolgt mittels einer einzigen Zuführungseinrichtung. Aus der EP 1 162 405 A2 ist eine Vorrichtung zur Verbrennung von Holzpellets bekannt, die vor der Zufuhr mittels einer Zuführeinrichtung in einen Brennraum mittels einer Mühle gemahlen und der Verbrennungsluft beigemengt werden.
  • Nach einer Zündung einer mit biogenen Feststoffen betriebenen Vorrichtung zur Erwärmung von Wasser für den Heiz- und Brauchwasserbetrieb entstehen große An- und Abbrandzeiten, so dass diese insbesondere bei schnellem Warmwasserbedarf unzureichend schnell reagieren und bei zyklischem Betrieb aufgrund der hohen Schadstoffbelastung im Anbrandbetrieb umweltrelevant und infolge von Regelschwingungen insbesondere bei mehreren hintereinander geschalteten Brennstoffkesseln schwer zu regeln sind.
  • Aufgabe der Erfindung ist daher, eine Vorrichtung vorzuschlagen, die weniger Schadstoffe produziert und in verbesserter Weise an einen zeitlich variierenden Wärmebedarf anpassbar ist.
  • Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Vorrichtung des Anspruchs 1 und des Verfahrens des Anspruchs 7 gelöst. Die auf diese zurückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen.
  • In einer betreffenden Vorrichtung zur Verbrennung fester, biogener Brennstoffe in einer ersten Brennstufe mit einer ersten Zuführeinrichtung des Brennstoffs in ein Brenngutbett, einer Primärluftzufuhreinrichtung, einer Zündeinrichtung zur Entzündung des Brennstoffs im Brenngutbett, einem über dem Brenngutbett vorgesehenen Brennraum sowie einem in einem Wärmestrom des verbrannten Brennguts angeordneten Wärmetauscher mit zumindest einem nachgeschalteten Wärmespeicher ist hierzu die erste Brennstufe als eine Wärmegrundlast kompensierende Brennstufe ausgebildet und eine zweite, Wärmebedarfsspitzen abdeckende Brennstufe mit einer zweiten, im Brennraum selbstentzündlichen Brennstoff eintragenden Zuführeinrichtung vorgesehen.
  • Die Vorrichtung ist als Brennstoffkessel zur Verbrennung von gestückelten Holzteilen, Holzspänen, Rindenteilen und dergleichen, insbesondere Holzpellets vorgesehen. Ein derartiger Brennkessel wird bevorzugt für kleine Gebäude wie Ein- oder Mehrfamilienhäuser, kleine Gewerbe- und Bürogebäude und dergleichen ausgelegt. Die erste Zuführeinrichtung der ersten Brennstufe kann hierbei als Unterschub-, Querschubbeschickung oder Abwurfeinrichtung vorgesehen sein. Der Transport des Brennstoffs von einem Vorratsbehälter zum Brennkessel kann beispielsweise mittels einer Förderschnecke erfolgen. Der Betrieb der Vorrichtung wie Brennkessel erfolgt lastgesteuert zweigeteilt. Hierbei wird eine Wärmegrundlast durch Befeuerung des Brennkessels mittels von der ersten Zuführeinrichtung entsprechend der Wärmegrundlast dosiert zugeführtem stückeligem Brennstoff wie Holzpellets abgedeckt.
  • Die Zündung des in das Brenngutbett zugeführten Brennstoffs erfolgt mittels einer Zündeinrichtung, beispielbeispielsweise einer elektrischen Glühspirale, eines Brandförderers wie beispielsweise eines Anzünders oder dergleichen. Es hat sich dabei als vorteilhaft erwiesen, die Primärluftzufuhr so zu erwärmen, dass ein derartiger Zündvorgang erleichtert oder ohne weitere Hilfsmittel eingeleitet wird, indem die Flammtemperatur des Brennstoffs überschritten wird. Die Primärluft kann beispielsweise durch eine elektrische Heizspirale erwärmt werden. Diese ist wegen ihrer geschützten Unterbringung weniger störanfällig als eine im Brenngutbett platzierte Glühspirale.
  • Unter Wärmegrundlast ist ein Wärmebedarf, beispielsweise in Form eines auf einer vorgegebenen beziehungsweise vorgebbaren Temperatur gehaltenen Pufferspeichers und/oder Wärmekreislaufs zu verstehen, der im Wesentlichen dauerhaft, beispielsweise in einer Heizperiode in Form eines Heizkreislaufs anfällt. Wird diese Wärmegrundlast angefordert, kann der Brennvorgang nach einem Anbrand in der Regel über längere Zeit aufrecht erhalten werden, so dass Anbrandphasen mit vergleichsweise höherer Schadstoffbelastung minimiert werden können. Weiterhin werden zyklische An- und Abschaltvorgänge mit damit verbundenen langen Aufheiz- und Abwärmzeiten vermieden, die einerseits zu langen und unkomfortablen Reaktionszeiten des Brennkessels mit schwer zu kontrollierbarem Regelverlauf mit Regelschwingungsneigung und andererseits zu unökonomischer Nutzung des Brennstoffs führen.
  • Die Abdeckung von Wärmebedarfsspitzen, wie sie beispielsweise bei Bereitung von warmem Brauchwasser und dergleichen entstehen, erfolgt durch Aktivierung der zweiten Brennstufe. Der von der zweiten Zuführeinrichtung entsprechend fein verteilt aufbereitete Brennstoff wird im Gegensatz zu dem im Brenngutbett abbrennenden Brennstoff in den Brennraum über dem Brenngutbett eingebracht und zündet in bevorzugter Weise infolge der in dieser vorherrschenden Umgebung instantan. Bei abgeschalteter erster Brennstufe kann eine zusätzliche Zündeinrichtung für den Brennstoff der zweiten Brennstufe vorgesehen sein. Dabei werden die Bedingungen des Brennstoffeintrags so gewählt, dass ein Kontakt mit Wänden des Brennraums in bevorzugter Weise vermieden und eine gleichmäßige Feinverteilung über den Brennraum erzielt wird. Infolge der hohen Oberfläche des Brennstoffs stellt der Brennstoff seinen Energieinhalt schnell und mit großer Dynamik zur Verfügung, so dass schnelle Aufheizraten des Wärmetauschers erzielt werden. Bei entsprechender Auslegung der Brenngeometrie im Brennraum mit entsprechender Anordnung des Wärmetauschers im Brennfeld der zweiten Brennstufe können Aufheizeigenschaften im Sinne eines Durchlauferhitzers erzielt werden.
  • Der Brennstoff der zweiten Brennstufe kann ein flüssiger oder gasförmiger fossiler Brennstoff, beispielsweise Erdgas oder Heizöl sein, die über entsprechende Dosierventile und Düsen in den Brennraum dosiert eingetragen und in diesem verteilt werden. In besonders vorteilhafter Weise ist der Brennstoff der zweiten Brennstufe zerkleinerter fester biogener Brennstoff. Bevorzugt wird hierzu derselbe Brennstoff der ersten Brennstufe nach entsprechender Zerkleinerung vorgesehen und aus dem Vorratsbehälter gemeinsam oder separat an die Vorrichtung herangeführt. Die Zerkleinerung erfolgt mittels einer Zerkleinerungsvorrichtung, die in die Vorrichtung außerhalb des Brennraums integriert ist und beispielsweise ein Mahlwerk sein kann. Die Dosierung des gemahlenen Brennstoffs in den Brennraum erfolgt beispielsweise mittels einer schnell drehenden Schnecke, die beispielsweise von einem abhängig von der Wärmebedarfsspitze drehzahlgeregelten Elektromotor angetrieben wird.
  • Es hat sich insbesondere aus Gründen der Schadstoffbegrenzung als vorteilhaft erwiesen, wenn dem Brennraum mit einer Primärluftzuführeinrichtung beispielsweise über den Rost des Brenngutbetts oder dergleichen eine Nachbrennkammer mit einer Sekundärluftzuführeinrichtung nachgeschaltet ist. Durch die Luftzufuhr von Sekundärluft in die Nachbrennkammer wird der Schadstoffgehalt, beispielsweise Kohlenmonoxid und nachverbrennbare organische Verbindungen gesenkt. Die Sekundärluftzufuhr wird bevorzugt unabhängig von der Primärluftzufuhr und abhängig von der Schadstoffbelastung geregelt. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Sekundärluft senkrecht zur Strömungsrichtung des Abgasstroms durch die Nachbrennkammer in diese eingebracht wird.
  • In einem Verfahren zum Betrieb der vorgeschlagenen Vorrichtung erfolgt eine Verbrennung des in der ersten Brennstufe auf das Brenngutbett dosierten Brennstoffs abhängig von zumindest einer die Wärmegrundlast reproduzierenden Größe und die Dosierung des in der zweiten Brennstufe über die zweite Zuführeinrichtung dosierten Brennstoffs abhängig von zumindest einer eine Wärmelastspitze reproduzierenden Größe. In vorteilhafter Weise kann zur Beschleunigung eines Aufheizvorgangs des Wärmetauschers die zweite Brennstufe während eines Anbrands des Brennstoffs der ersten Zuführeinrichtung betrieben werden. Weiterhin kann während eines Dauerbetriebs der ersten Brennstufe beispielsweise während eines Heizbetriebs tagsüber oder ganztägig die zweite Brennstufe bei zusätzlichem Wärmebedarf zugeschaltet werden. Alternativ kann bei stillgesetzter erster Brennstufe beispielsweise in einem Sommerbetrieb der Vorrichtung die zweite Brennstufe als ausschließliche Brennstufe der Vorrichtung gegebenenfalls mit weiteren Energiequellen, beispielsweise einer Solartherme zur Bereitung von warmem Brauchwasser betrieben werden.
  • Um eine besonders schnelle Erwärmung von Brauchwasser zu erzielen, kann während des Betriebs der zweiten Zuführeinrichtung vorerwärmtes Wasser des zumindest einen Wärmespeichers in den Wärmetauscher eingebracht werden.
  • Die Erfindung wird anhand der in den 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:
  • 1 ein Diagramm eines Brennbetriebs einer Vorrichtung mit lediglich einer Brennstufe,
  • 2 eine Vorrichtung zur Verbrennung von festen biogenen Brennstoffen mit zwei Brennstufen,
  • 3 ein Diagramm eines Brennbetriebs der Vorrichtung der 2 mit über dem Brenngutbett erfassten Messwerten,
  • 4 ein Diagramm eines Brennbetriebs der Vorrichtung der 2 mit hinter einer Nachbrennkammer ermittelten Messwerten
    und
  • 5 ein Diagramm eines Brennbetriebs der Vorrichtung der 2 mit gegenüber der 4 veränderten Zufuhrbedingen von Primär- und Sekundärluft.
  • Aus dem Diagramm 100 der 1, das dem Beitrag „Einfluss von Kaltstart und Teillast auf die Schadstoffemissionen von Stückholz- und Pelletheizungen“ von J. Good, 11. Holzenergie-Symposion ETH Zürich, 2010 entnommen ist, geht das Verhalten einer Vorrichtung in Form eines Brennkessels zur Verbrennung von Holzpellets hervor. In den Teildiagrammen I und III ist jeweils das Verbrennungsluftverhältnis λ und in den Teildiagrammen II und IV die Schadstoffbelastung in Form von Kohlenstoffmonoxid-Konzentrationen [CO] gegen jeweils gleiche Zeitskalen mit der Zeit t gezeigt. Die Teildiagramme III, IV zeigen dabei eine zyklisch betriebene Vorrichtung die in vorgegebenen Zeitabständen je nach Wärmebedarf, beispielsweise im Stundenrhythmus gestartet und wieder abgestellt wird. Infolge der sich über einen großen Zeitanteil erstreckenden, jeweils ein großes Zeitintervall Δt beanspruchenden Anbrand- und Abbrandphasen ist der gesamte Schadstoffausstoß der Vorrichtung hoch.
  • Aus den Teildiagrammen I und II geht das Verhalten einer kontinuierlich betriebenen Vorrichtung hervor, bei der sich nach dem Ende des ersten Anbrands bis zum Abbrand ein im Wesentlichen konstantes Verbrennungsluftverhältnis mit geringen Schadstoffbelastungen einstellt.
  • 2 zeigt eine schematisch dargestellte Vorrichtung 1, beispielsweise in Form eines Brennkessels für Holzpellets mit zwei Brennstufen 2, 3. Die Brennstufe 2 ist eine konventionell zur Abdeckung einer Grundlast eines Wärmebedarfs kontinuierlich betriebene Brennstelle für nicht zerkleinerte Holzpellets. Diese werden mittels der ersten Zuführeinrichtung 4 von dem Vorratsbehälter 5 wie dargestellt mittels eines Aufwurfverfahrens auf das Brenngutbett 7 mit dem Rost 6, der zur Entsorgung der Asche schwenkgelagert sein kann, dosiert. Die Brennstufe 2 wird während eines Wärmebedarfs permanent mit vorgegebener Leistung, beispielsweise in einem Einfamilienhaus mit 8 kW betrieben. Die Regelung der Brennstufe 2 zur Einstellung dieser Leistung kann aufgrund von erfassbaren Leistungsparametern, beispielsweise einer Brenngutwaage im Brenngutbett 7 oder beispielsweise einer Messung des Massenstromes in der Zuführeinrichtung 4 erfolgen, der Primärluftzufuhreinrichtung 8, beispielsweise dem Gebläse 9 erfolgen. Die Leistung wird mittels erfassbarer Leistungsdaten, beispielsweise dem gemittelten Wärmeverbrauch, der Außentemperatur einer Heizanlage und dergleichen erfolgen. Die Brennstufe 2 wird mittels einer Entzündung des auf dem Brenngutbett 7 befindlichen Brennguts in Betrieb genommen, indem beispielsweise durch die Heizeinrichtung 17 erwärmte Luft zugeführt wird.
  • Die Brennstufe 3 dosiert den Brennstoff mittels der Zuführeinrichtung 10 direkt in den Brennraum 11. Der Zuführeinrichtung 10 ist eine Zerkleinerungsvorrichtung 12 vorgeschaltet, welches Holzpellets aus dem Vorratsbehälter 5 fein vermahlt. Beispielsweise mittels einer schnell drehenden, von einem Elektromotor angetriebenen und bezüglich ihrer Drehzahl regelbaren Schnecke wird der pulverisierte Brennstoff fein verteilt und ohne sich an den Wänden des Brennraums 11 niederzuschlagen in den Brennraum 11 dosiert. Das feinverteilte Brennstoffgemisch entzündet sich an den Flammen des Brennstoffs der ersten Brennstufe 2 oder infolge der im Brennraum 11 herrschenden Temperaturen instantan und verbrennt unter Wärmeentwicklung. Die Regelung der Zufuhr von Brennstoff der zweiten Brennstufe 3 erfolgt abhängig von Wärmebedarfsspitzen, die über die von der ersten Brennstufe 2 bereit gestellte Wärmemenge hinausgeht. Die Brennstufe 3 wird in der Anbrandphase der Brennstufe 2 zugeschaltet, um eine erforderliche Wärmemenge beispielsweise um den Faktor drei schneller als bei einer nur mit der Brennstufe 2 erzielbaren Aufheizzeit zu gewinnen. Weiterhin wird die Brennstufe 3 bei Wärmebedarfsspitzen, die beispielsweise anhand eines Verbrauchsverhaltens wie einer Temperatur und deren zeitliche Entwicklung, Durchflussmengen eines Pufferspeichers, des Wärmetauschers und dergleichen ermittelt werden, gesteuert. Zur Bereitstellung einer ausreichenden und ausreichend schnellen Wärmemenge kann die Brennstufe 3 für ein Einfamilienhaus auf eine Leistung von ca. 20 kW ausgelegt sein.
  • Das Abgas erwärmt einen direkt in dem Brennraum 11 angeordneten oder – wie hier dargestellt – einem bezogen auf den Zug des Abgases nachfolgend vorgesehenen Wärmetauscher 13, beispielsweise einen Dampfkessel 14, der einen oder mehrere nicht dargestellte Pufferspeicher speist. Aufgrund der schnell reagierenden Brennstufe 3 kann die Kapazität eines Pufferspeichers verringert werden. Beispielsweise kann bei vorgesehener Abschaltung der Brennstufe 2 die Abschaltung früher erfolgen und die langsam abnehmende Wärmeerzeugung des lange andauernden Abbrandvorgangs gegebenenfalls durch die Brennstufe 3 abgefangen werden.
  • Zur Verringerung der Schadstoffbelastung ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Nachbrennkammer 15 vorgesehen, die dem Brennraum 11 nachgeschaltet ist und über die Sekundärluftzufuhreinrichtung 16 verfügt. Die Zufuhr der Primärluft und der Sekundärluft kann mittels des Gebläses 9 erfolgen. Zur Dosierung der Sekundärluft in die Nachbrennkammer 15 wird mit Hilfe der Zuluftklappe 18 der Anteil der Sekundärluft gesteuert. Zur Weiteren Abgasreinigung können die Filtereinheit 19 und der Kohleadsorber 20 in den Abgasstrom geschaltet sein.
  • Neben einem verbrauchsgesteuerten Betrieb der Vorrichtung 1 kann eine Korrektur der Steuerung zur Verringerung der Schadstoffbelastung erfolgen. Hierzu kann die Vorrichtung 1 über entsprechende Messvorrichtungen verfügen. Beispielsweise können an der Messstelle 21 chemische Sensoren, Temperaturmessfühler, eine Lambda-Sonde und dergleichen zur Erfassung von Verbrennungsdaten der ersten Brennstufe 2 vorgesehen sein. An der Messstelle 22 kann mittels entsprechender Sensoren die für die Emission von Schadstoffen in die Umgebungsluft relevante Abluft untersucht werden. Anhand der erfassten Messdaten kann durch Steuerung der Volumenströme der Primär- und Sekundärluft, der Dosierung von Brennstoff über die Zuführeinrichtungen 4, 10 abhängig vom Wärmebedarf eine Gesamtsteuerung der Vorrichtung 1 vorgesehen werden.
  • Es versteht sich, dass die Erfindung nicht durch die geometrische Darstellung der Vorrichtung 1 erschöpfend dargestellt ist. Abhängig von den Anforderungen, dem zur Verfügung stehenden Bauraum, einer gewünschten geometrischen Auslegung, der erforderlichen Leistung und Dynamik können auch andere geometrische Auslegungen der Brennstufen 2, 3, des Brennraums 11, gegebenenfalls der Nachbrennkammer 15, des Wärmetauschers 13 und weiterer für die Erfindung relevanter Bauteile vorgesehen sein.
  • 3 zeigt das Diagramm 101 mit einem typischen Brennablauf der Vorrichtung 1 der 2 über die Zeit t an der Messstelle 21 über die Brennphasen P1, P2, P3, P4. Die Kurve 102 zeigt dabei die Sauerstoffkonzentration, die Kurve 103 das Verbrennungsluftverhältnis (Luftzahl λ), die Kurve 104 die Kohlenmonoxidkonzentration, die Kurve 105 die Kohlendioxidkonzentration, die Kurve 106 die Konzentration an Kohlenwasserstoffen und die Kurve 107 die Wasserstoffkonzentration. In Brennphase P1 erfolgt die Zündung des Brennstoffs der Brennstufe 2. In Brennphase P2 werden kontinuierlich Brennstoff, beispielsweise 1,8 kg/h Holzpellets und beispielsweise 10Nm3/h Primärluft in Brennstufe 2 zugeführt. Die Sekundärluftmenge beträgt beispielsweise 25 Nm3/h. Aus der Verbrennung resultiert die in den Kurven 102 bis 107 gezeigte Brenngasentwicklung. In Brennphase P3 wird die Brennstufe 3 mit einer Zufuhr von beispielsweise 4,5 kg/h pulverisierten Holzpellets betrieben. Hierdurch steigt die Schadstoffbelastung überproportional, die jedoch für den endgültigen Schadstoffausstoß aufgrund der Nachbehandlung in der Nachbrennkammer wenig relevant ist. In Brennphase P4 ist die Brennstoffbeschickung beider Brennstufen 2, 3 abgeschaltet.
  • 4 zeigt das Diagramm 110 mit einem typischen Brennverlauf der Vorrichtung 1 der 2 über die Zeit t an der Messstelle 22 über die P1, P2, P3, P4. Die Dosierung der Brennstoffe und der Primär- und Sekundärluft entspricht den Bedingungen des im Diagramm 101 der 3 gezeigten Brennverlaufs. Die Messstelle 22 ist für die Emission der durch die Vorrichtung 1 emittierten Schadstoffe relevant. Die Kurve 112 zeigt dabei die Sauerstoffkonzentration, die Kurve 114 die Kohlenmonoxidkonzentration, die Kurve 115 die Kohlendioxidkonzentration und die Kurve 117 die Wasserdampfkonzentration. Unter Beachtung der geänderten Skalen ist die Kohlenmonoxidkonzentration deutlich vermindert. Es fällt aber auf, dass diese in der Brennphase P2 mit ausschließlichem Betrieb der Brennstufe 2 gegenüber Brennphase P3, in der beide Brennstufen 2, 3 betrieben werden, höher ist. Der Effekt der Nachverbrennung in der Nachbrennkammer 15 ist daher in Brennphase P2 weniger wirksam. Diese kann – wie aus dem Diagramm 120 der 5 hervorgeht – bei ansonsten identischen Bedingungen durch eine Rücknahme der Primärluft auf beispielsweise 5 Nm3/h und eine geänderte Zündvorrichtung entscheidend vermindert werden.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Vorrichtung
    2
    Brennstufe
    3
    Brennstufe
    4
    Zuführeinrichtung
    5
    Vorratsbehälter
    6
    Rost
    7
    Brenngutbett
    8
    Primärluftzufuhreinrichtung
    9
    Gebläse
    10
    Zuführeinrichtung
    11
    Brennraum
    12
    Zerkleinerungsvorrichtung
    13
    Wärmetauscher
    14
    Dampfkessel
    15
    Nachbrennkammer
    16
    Sekundärluftzufuhreinrichtung
    17
    Heizeinrichtung
    18
    Zuluftklappe
    19
    Filtereinheit
    20
    Kohleadsorber
    21
    Messstelle
    22
    Messstelle
    100
    Diagramm
    101
    Diagramm
    102
    Kurve
    103
    Kurve
    104
    Kurve
    105
    Kurve
    106
    Kurve
    107
    Kurve
    110
    Diagramm
    112
    Kurve
    114
    Kurve
    115
    Kurve
    117
    Kurve
    120
    Diagramm
    I
    Teildiagramm
    II
    Teildiagramm
    III
    Teildiagramm
    IV
    Teildiagramm
    P1
    Brennphase
    P2
    Brennphase
    P3
    Brennphase
    P4
    Brennphase
    t
    Zeit
    Δt
    Zeitintervall
    λ
    Verbrennungsluftverhältnis
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 666007 [0002]
    • DE 3226877 A1 [0002]
    • DE 102008056019 A1 [0002]
    • EP 1162405 A2 [0002]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • J. Good, 11. Holzenergie-Symposion ETH Zürich, 2010 [0021]

Claims (12)

  1. Vorrichtung (1) zur Verbrennung fester, biogener Brennstoffe in einer ersten Brennstufe (2) mit einer ersten Zuführeinrichtung (4) des Brennstoffs in ein Brenngutbett (7), einer Primärluftzufuhreinrichtung (8), einer Zündeinrichtung zur Entzündung des Brennstoffs im Brenngutbett (7), einem über dem Brenngutbett (7) vorgesehenen Brennraum (11) sowie einem in einem Wärmestrom des verbrannten Brennguts angeordneten Wärmetauscher (13) mit zumindest einem nachgeschalteten Wärmespeicher, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Brennstufe (2) als eine Wärmegrundlast kompensierende Brennstufe ausgebildet und eine zweite, Wärmebedarfsspitzen abdeckende Brennstufe (3) mit einer zweiten, im Brennraum selbstentzündlichen Brennstoff eintragenden Zuführeinrichtung (10) vorgesehen ist.
  2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff der ersten Brennstufe (2) in einem Vorratsbehälter (5) vorgehaltene Holzpellets sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff der zweiten Brennstufe ein flüssiger oder gasförmiger fossiler Brennstoff ist.
  4. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff der zweiten Brennstufe (3) zerkleinerter fester biogener Brennstoff ist.
  5. Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in die Vorrichtung (1) vor dem Brennraum (11) eine Zerkleinerungsvorrichtung (12) integriert ist.
  6. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Brennraum (11) eine Nachbrennkammer (15) mit separat regelbarer Sekundärluft nachgeschaltet ist.
  7. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbrennung des auf das Brenngutbett (7) dosierten Brennstoffs abhängig von zumindest einer die Wärmegrundlast reproduzierenden Größe und die Dosierung des über die zweite Zuführeinrichtung (10) dosierten Brennstoffs abhängig von zumindest einer eine Wärmebedarfsspitze reproduzierenden Größe erfolgt.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Zuführeinrichtung (10) während eines Anbrands des Brennstoffs der ersten Zuführeinrichtung (4) betrieben wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vermahlen eines festen Brennstoffs auf eine Partikelgröße oberhalb einer Selbstentzündungsgrenze begrenzt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heizenergie und erwärmtes Brauchwasser bereitstellende Vorrichtung (1) im Heizbetrieb mittels Brennstoff der ersten Brennstufe (2) und im Brauchwassererwärmungsbetrieb zusätzlich die zweite Brennstufe (3) betrieben wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass während des Betriebs der zweiten Brennstufe (3) vorerwärmtes Wasser des zumindest einen Wärmespeichers in den Wärmetauscher (13) eingebracht wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärzuluft mittels einer Heizeinrichtung (17) erwärmt wird.
DE102012105099.6A 2012-06-13 2012-06-13 Lastabhängig betriebene Vorrichtung zur Verbrennung fester biogener Brennstoffe und Verfahren zu deren Betrieb Expired - Fee Related DE102012105099B4 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102012105099.6A DE102012105099B4 (de) 2012-06-13 2012-06-13 Lastabhängig betriebene Vorrichtung zur Verbrennung fester biogener Brennstoffe und Verfahren zu deren Betrieb
EP13171352.1A EP2674673B1 (de) 2012-06-13 2013-06-11 Lastabhängig betriebene Vorrichtung zur Verbrennung fester biogener Brennstoffe und Verfahren zu deren Betrieb

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102012105099.6A DE102012105099B4 (de) 2012-06-13 2012-06-13 Lastabhängig betriebene Vorrichtung zur Verbrennung fester biogener Brennstoffe und Verfahren zu deren Betrieb

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102012105099A1 true DE102012105099A1 (de) 2013-12-19
DE102012105099B4 DE102012105099B4 (de) 2014-02-06

Family

ID=48626298

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102012105099.6A Expired - Fee Related DE102012105099B4 (de) 2012-06-13 2012-06-13 Lastabhängig betriebene Vorrichtung zur Verbrennung fester biogener Brennstoffe und Verfahren zu deren Betrieb

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP2674673B1 (de)
DE (1) DE102012105099B4 (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109059017A (zh) * 2018-08-31 2018-12-21 江西大江农业科技发展有限公司 一种环保型生物质燃烧系统

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE666007C (de) 1936-09-12 1938-10-10 Duerrwerke Akt Ges Rostfeuerung fuer vorgetrocknete Brennstoffe, deren feinkoernige Teile in der Schwebe verbrannt werden
US4078541A (en) * 1976-02-09 1978-03-14 Roycraft Engineering Company Wood and oil burning furnace
US4312278A (en) * 1980-07-22 1982-01-26 Board Of Trustees Of The University Of Maine Chip wood furnace and furnace retrofitting system
DE3226877A1 (de) 1982-07-17 1984-01-19 Albert 6200 Wiesbaden Wagner Heizkessel
DE3106015C2 (de) * 1981-02-18 1985-08-01 "HDG" Entwicklungs- und Patentverwertungsgesellschaft mbH, Wald, Steiermark Verfahren zum Betreiben eines Heizkessel, der mit Festbrennstoff und mit Öl oder Gas beheizbar ist und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
FR2733303A1 (fr) * 1995-04-19 1996-10-25 Gaz De France Chaudiere-incinerateur de dechets et procede de fonctionnement d'une chaudiere-incinerateur de dechets
EP1162405A2 (de) 2000-06-05 2001-12-12 Theodor Ernst Seebacher Vorrichtung zum Verbrennen von nachwachsenden, stückeligen Brennstoffen, insbesondere Holzpellets
US20030226561A1 (en) * 2001-01-03 2003-12-11 Darbonne Johnny R. Pellet furnace heating apparatus
GB2446954A (en) * 2007-02-22 2008-08-27 Alley Enterprises Ltd A Burner Assembly
DE102007017102A1 (de) * 2007-04-10 2008-10-16 S+K Haustechnik Gmbh Betriebsverfahren für einen Feststoffbrenner
DE102008056019A1 (de) 2007-11-07 2009-05-20 Manuel Hochgatterer Beschickungsvorrichtung für einen Ofen
DE102009020344B3 (de) * 2009-05-07 2011-01-13 Wachtel GmbH & Co. Bäckereimaschinen-Backöfen Pelletbrenner, Dosiervorrichtung und Verfahren zu dessen Steuerung

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1023583A (en) * 1961-04-25 1966-03-23 Fuel Firing Ltd Improvements in or relating to solid fuel furnace and boiler plant
US3680500A (en) * 1970-10-08 1972-08-01 Phillips Petroleum Co Two-stage smokeless incinerator
EP1221573B1 (de) * 2001-01-08 2007-07-04 Josef Jun. Stöger Zapfgasverfahren zur Gewinnung von elektrischer und thermischer Energie aus Biomassekesseln

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE666007C (de) 1936-09-12 1938-10-10 Duerrwerke Akt Ges Rostfeuerung fuer vorgetrocknete Brennstoffe, deren feinkoernige Teile in der Schwebe verbrannt werden
US4078541A (en) * 1976-02-09 1978-03-14 Roycraft Engineering Company Wood and oil burning furnace
US4312278A (en) * 1980-07-22 1982-01-26 Board Of Trustees Of The University Of Maine Chip wood furnace and furnace retrofitting system
DE3106015C2 (de) * 1981-02-18 1985-08-01 "HDG" Entwicklungs- und Patentverwertungsgesellschaft mbH, Wald, Steiermark Verfahren zum Betreiben eines Heizkessel, der mit Festbrennstoff und mit Öl oder Gas beheizbar ist und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
DE3226877A1 (de) 1982-07-17 1984-01-19 Albert 6200 Wiesbaden Wagner Heizkessel
FR2733303A1 (fr) * 1995-04-19 1996-10-25 Gaz De France Chaudiere-incinerateur de dechets et procede de fonctionnement d'une chaudiere-incinerateur de dechets
EP1162405A2 (de) 2000-06-05 2001-12-12 Theodor Ernst Seebacher Vorrichtung zum Verbrennen von nachwachsenden, stückeligen Brennstoffen, insbesondere Holzpellets
US20030226561A1 (en) * 2001-01-03 2003-12-11 Darbonne Johnny R. Pellet furnace heating apparatus
GB2446954A (en) * 2007-02-22 2008-08-27 Alley Enterprises Ltd A Burner Assembly
DE102007017102A1 (de) * 2007-04-10 2008-10-16 S+K Haustechnik Gmbh Betriebsverfahren für einen Feststoffbrenner
DE102008056019A1 (de) 2007-11-07 2009-05-20 Manuel Hochgatterer Beschickungsvorrichtung für einen Ofen
DE102009020344B3 (de) * 2009-05-07 2011-01-13 Wachtel GmbH & Co. Bäckereimaschinen-Backöfen Pelletbrenner, Dosiervorrichtung und Verfahren zu dessen Steuerung

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Good, J.; Einfluss von Kaltstart und Teillast auf die Schadstoffemissionen von Stückholz- und Pelletheizungen; in: Verenum Zürich; ISBN 3-908705-21-511; 11. Holzenergie-Symposium: Potenzial und Technik zur Holzenergie-Nutzung; Tagung an der ETH Zürich am 17. September 2010, S. 145-172 *
J. Good, 11. Holzenergie-Symposion ETH Zürich, 2010

Also Published As

Publication number Publication date
DE102012105099B4 (de) 2014-02-06
EP2674673A2 (de) 2013-12-18
EP2674673A3 (de) 2014-08-13
EP2674673B1 (de) 2018-02-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE3540248A1 (de) Verfahren zum kaltstart eines mit feinteiliger kohle gefeuerten ofens
Luo et al. Experimental study on combustion of biomass micron fuel (BMF) in cyclone furnace
JP6592304B2 (ja) バイオマス利用方法及び装置
Mladenović et al. The combustion of biomass-the impact of its types and combustion technologies on the emission of nitrogen oxide
CN106918038A (zh) 一种配风扇磨煤机制粉的生物质燃料低污染燃烧系统
JP2005291539A (ja) バイオマス燃料の前処理及び混焼方法と装置
CN102840594B (zh) 烟气干燥褐煤中速磨直吹式制粉系统
EP2674673B1 (de) Lastabhängig betriebene Vorrichtung zur Verbrennung fester biogener Brennstoffe und Verfahren zu deren Betrieb
DE102009019118A1 (de) Hausfeuerungsanlage mit kontinuierlicher Feststoffverbrennung und Verfahren zu deren Betrieb
CN206724142U (zh) 一种配风扇磨煤机制粉的生物质燃料低污染燃烧系统
JP4108002B2 (ja) ガス又は油焚きバイオマス燃焼装置及び方法
US4331085A (en) Exit gas control for flame stabilization and performance tuning of starved-air auger combustor
CN201611108U (zh) 木粉燃烧锅炉给料装置
CN202747364U (zh) 造纸污泥回收再利用系统
CN202056859U (zh) 一种高效生物质旋风直燃炉
CN205447719U (zh) 一种防结焦的生物质锅炉
DE202014003709U1 (de) Heizkessel für Hackgut und pelletierte Biomasse mit optional integrierbarer Kraftwärmekopplungseinheit
DE102014001785B4 (de) Kleinstfeuerungsanlage für biogene Festbrennstoffe
EP2906876A2 (de) Verfahren zum betrieb eines dampferzeugers
DE102017215337B3 (de) Kontinuierlich betreibbarer Vergaserkessel für feste Brennstoffe und Verfahren zur Verbrennung von festen Brennstoffen
Chernyavskyi et al. CONVERTING SLOVIANSKA TPP WITH THE CENTRAL COAL PULVERIZING PLANT FROM ANTHRACITE TO SUB-BITUMINOUS COAL.
LU85821A1 (de) Anordnung zur energetischen verwertung von holzabfaellen
DE102015000833B3 (de) Vorrichtung zur gekoppelten Müllverbrennung und Gewinnung elektrischer Energie
CN217653882U (zh) 燃煤和生物质混合煤粉锅炉燃烧系统
Wójcik Influence of fuel quality on boiler work with retort furance

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R079 Amendment of ipc main class

Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: F23C0001020000

Ipc: F23G0007100000

R082 Change of representative

Representative=s name: EGE LEE & PARTNER PATENTANWAELTE PARTGMBB, DE

Representative=s name: EGE & LEE PATENTANWAELTE PARTGMBB, DE

Representative=s name: EGE & LEE PATENTANWAELTE, DE

R016 Response to examination communication
R079 Amendment of ipc main class

Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: F23G0007100000

Ipc: F23Q0007020000

R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final
R020 Patent grant now final

Effective date: 20141107

R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee