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Die Anmeldung betrifft eine verbesserte Verbrennungsanlage, insbesondere eine verbesserte Kleinfeuerungsanlage.
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Häusliche Kleinfeuerungsanlagen sind eine wesentliche Quelle für Emissionsbelastungen für Feinstaub und gasförmige Schadstoffe. Problematisch hierbei ist zusätzlich, dass diese Emissionsbelastungen in Wohngebieten auftreten. Aufgabe der Erfindung ist es daher Verbrennungsanlagen bereitzustellen, die mit begrenztem apparativem Aufwand eine reduzierte Schadstoffbelastung aufweisen.
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Es wurde erkannt, dass hierzu eine Verbrennungsanlage zur Verbrennung von festen Brennstoffen mit einer Vergasungszone zur Erzeugung von Brenngas und einer Verbrennungszone zur Verbrennung von Brenngas bereitzustellen ist. Dabei ist ein erstes Gebläse zur Zufuhr von Primärluft in die Vergasungszone und ein zweites Gebläse zur Zufuhr von Sekundärluft in die Verbrennungszone vorzusehen. Dabei ist das erste Gebläse in Abhängigkeit von der gewünschten Leistung der Verbrennungsanlage regelbar und/oder das zweite Gebläse ist in Abhängigkeit von einem gewünschten Sauerstoffgehalt in der Abluft der Verbrennungszone regelbar.
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Bei bisherigen derartigen Anlagen, die eine Vergasungszone und eine Verbrennungszone aufweisen, ist ein Saugzuggebläse in der Abluft der Verbrennungszone üblich. Die Aufteilung der Primärluft und der Sekundärluft erfolgt über Klappen die motorisch angesteuert sind oder manuell betrieben werden. Dies gestattet nur eine unzureichend genau dosierte Luftzufuhr. Dies soll anhand des nachfolgenden Beispiels näher erläutert werden: Beim Vergasungsprozess kann fester Brennstoff in der Vergasungszone abstürzen. Dies gilt für feste Brennstoffe allgemein. Wichtige Beispiele sind Scheitholz und Briketts. Damit ändert sich der Durchströmungswiderstand in der Vergasungszone. Dies kann dazu führen, dass etwa bei absinkendem Strömungswiderstand zu wenig Luft in die Vergasungszone und zu viel Luft in die Verbrennungszone geführt wird. Der daraus folgende Luftüberschuss in der Verbrennungszone führt zu einem Absinken der Verbrennungstemperatur, wodurch sich die Verbrennung verschlechtert und sowohl CO-Werte als auch Feinstaubwerte ansteigen können. Dies wird verschärft durch den Umstand, dass die abgesenkte Luftzufuhr in die Vergasungszone die Brenngasproduktion senkt. Dies trägt ebenfalls zum Luftüberschuss und zu den genannten Problemen bei.
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Bei den hier beschriebenen Verbrennungsanlagen handelt es sich um Vergasungskessel, also um Anlagen, in denen fester Brennstoff zunächst zur Bereitstellung von Brenngas vergast wird und das Brenngas nachfolgend verbrannt wird. Diese Verbrennungsanlagen gelten nach in Deutschland zum Anmeldezeitpunkt gültigen gesetzlichen Bestimmungen bis zu einer Leistung von 1 MW als Kleinfeuerungsanlagen. Im Regelfall beträgt die Leistung etwa 100 kW bis 200 kW, wobei auch Anlagen mit einer Leistung von etwa 400 kW noch verbreitet sind.
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Vollständigkeitshalber wird erwähnt dass als Primärluft und als Sekundärluft normalerweise Umgebungsluft aus dem Freien dient. Eine Vorwärmung von Primärluft und Sekundärluft ist normalerweise sinnvoll und kann etwa durch Wärmeübertragung aus Abluft in einem Wärmetauscher erfolgen.
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Der oben geschilderte Aufbau gestattet in einfacher Weise Abhilfe und führt zu einer spürbaren Reduktion der Emissionsbelastung. Zum gewünschten Sauerstoffgehalt ist auszuführen, dass ein für eine möglichst emissionsarme Verbrennung, die zugleich hohen Wirkungsgrad liefert, günstiger Sauerstoffgehalt zu wählen ist. Der gewünschte Sauerstoffgehalt ist ein Erfahrungswert, der sich vor allem aus dem Wirkungsgrad und einem angestrebten niedrigen CO-gehalt im Abgas ergibt. Der CO-Gehalt ist ein guter Indikator für die Qualität der Verbrennung.
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Es ist auch denkbar weitere Parameter für die Regelung der Luftzufuhr in die Verbrennungszone heranzuziehen. Zu denken ist an die Temperatur im Abgas und/oder die Temperatur in der Verbrennungszone. Dabei ist denkbar die Temperatur an verschiedenen Stellen der Verbrennungszone zu erfassen. Auch kann der COe-Gehalt im Abgas herangezogen werden. Beim Coe-Gehalt handelt es sich um die Summe von CO, CH4 und anderer nicht vollständig verbrannter kohlenstoffhaltiger Verbrennungsprodukte.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der gewünschte Sauerstoffgehalt vom zwischen 4% und 6% beträgt. Bei den Angaben handelt es sich um Volumenprozent, also den prozentualen Anteil des Sauerstoffvolumenstroms am gesamten Volumenstrom. Der gewünschte Sauerstoffgehalt ist dabei vom Aufbau der Verbrennungsanlage abhängig.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist zur verbesserten Abgasförderung ein Saugzuggebläse vorhanden. Dabei ist zu beachten dass das Saugzuggebläse hier nicht die Regelung der Luftzufuhr in die Verbrennungszone und/oder Vergasungszone übernehmen soll. Dies wird wie dargestellt durch das erste Gebläse und das zweite Gebläse und die zugehörigen Regelungsparameter übernommen. Allerdings kann das Saugzuggebläse in die Regelung des ersten und zweiten Gebläses indirekt einfließen, da vor allem das zweite Gebläse mit niedrigerer Leistung denselben Volumenstrom liefern kann, wenn das Saugzuggebläse in Betrieb ist. Das Saugzuggebläse ist hierbei im Regelfall so geregelt, dass ein gewünschter Unterdruck im Abgaskanal gehalten wird.
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In einer Ausführungsform ist die Verbrennungszone mehrstufig ausgeführt, wobei insbesondere eine Hauptverbrennungsstufe und eine Nachverbrennungsstufe vorhanden sind. Dies kann in Form einer Etagenbrennkammer verwirklicht werden, in der die verschiedenen Verbrennungsstufen übereinander angeordnet sind.
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Eine wichtige Ausführungsform der Erfindung, die aber auch unabhängig von der oben beschriebenen Erfindung zweier getrennter Gebläse für Primärluft und Sekundärluft bedeutsam ist, sieht als Hauptverbrennungsstufe eine Brennkammer in Form eines Zyklons vor. Zyklonkammern sind zur Entstaubung, auch zur Nachverbrennung bekannt. Bei Verbrennungsanlagen der hier beschriebenen Art ist es jedoch nicht bekannt, eine Brennkammer in Form eines Zyklons vorzusehen. Eine solche Brennkammer erlaubt eine gute Durchmischung von Luft und Brenngas und damit eine gute Verbrennung, so dass die Brennkammer sowohl als Hauptverbrennungsstufe wie zugleich auch als Nachverbrennungsstufe dienen kann, wodurch ein Bauteil entfallen kann. Die Brennkammer in Form eines Zyklons muss normalerweise hohen Temperaturen von bis zu 1400 °C standhalten. Daher sind die Brennkammern im Regelfall aus Stein aufgebaut, wobei auch andere Materialien, die hohen Temperaturen standhalten, in Frage kommen. Die bekannten Zyklone zur Entstaubung sind regelmäßig aus Metall und würden meist den Temperaturen bei der Nutzung als Brennkammer nicht standhalten. Bei guter Verbrennungsführung und geeigneter Brennkammer in Form eines Zyklons ist kann oft auch die Nachbehandlungsstufe entfallen.
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In einer Ausführungsform der Brennkammer in Form eines Zyklons ist ein Tauchrohr vorhanden, so dass eine hinreichende Durchmischung von Brenngas und Sekundärluft sowie eine hinreichende Verweilzeit des Brenngases in der Brennkammer in Form eines Zyklons erzwungen wird. Zum besseren Verständnis eine kurze Darstellung der Funktionsweise an einem Beispiel: Das Zyklon hat einen runden Querschnitt, der sich nach unten hin verjüngt. Das Tauchrohr ragt von oben in die Brennkammer hinein und ist zentrisch angeordnet. Das Brenngas und die Luft, genauer gesagt die Sekundärluft, werden oben seitlich in die Brennkammer eingeblasen. Dabei wird eine Strömung um die Achse der Brennkammer erzwungen die an der Wand der Brennkammer entlang führt. Die Strömung erhält auch eine Bewegungskomponente nach unten, so dass das Brenngas und die Sekundärluft gleichsam auf einer Schraubenlinie nach unten strömen. Dabei erfolgt eine gute Durchmischung von Brenngas und Sekundärluft. Da das Gasgemisch mindestens bis zum unteren Ende des Tauchrohrs strömen muss, um durch das Tauchrohr hindurch als – bis dahin verbranntes – Abgas abströmen zu können, wird eine sogenannte Kurzströmung verhindert, bei der das einströmende Gas auf kurzem Weg, also weitgehend ohne Umwege, die Brennkammer wieder verlässt. Diese Gefahr bestünde ansonsten besonders bei niedrigen Brenngasvolumenströmen, welche bei niedrigen Leistungen auftreten. Eine Brennkammer in Form eines Zyklons, vor allem Ausführungsformen mit einem Tauchrohr haben also insbesondere Vorteile beim Betreib im niedrigen Leistungsbereich.
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In einer Ausführungsform ist eine Zufuhr von Tertiärluft in die Verbrennungszone möglich. Damit kann die Verbrennung weiter verbessert werden. Die Tertiärluft wird in der Regel erst zugeführt, nachdem Brenngas und Sekundärluft einen gewissen Weg in der Brennkammer zurückgelegt haben. Bis dahin kann durch die Verbrennung der Sauerstoffgehalt schon abgefallen sein, so dass eine Zufuhr von Tertiärluft die Verbrennung verbessert. Die Tertiärluft kann dabei aus der Sekundärluft abgezweigt werden, es ist aber auch möglich, ein separates Gebläse für die Tertiärluft vorzusehen. Normalerweise ist es sinnvoll vorgewärmte Sekundärluft und Tertiärluft einzusetzen um eine Abkühlung an der Einspeisestelle und eine damit einhergehende schlechtere Verbrennung zu vermeiden.
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In einer Ausführungsform ist eine Nachbehandlungsstufe vorhanden. Diese kann thermisch oder katalytisch arbeiten. Bei einer thermischen Nachbehandlungsstufe lagert sich bei niedrigen Temperaturen Ruß an, der bei hohen Temperaturen wieder freigebrannt wird. Damit wird die Menge an nicht verbranntem Ruß, der bei niedrigen Temperaturen emittiert würde, reduziert. Ebensolches wird mit einer katalytisch arbeitenden Nachbehandlungsstufe erreicht. Dabei wird mit Hilfe eines Katalysators bewirkt, dass unvollständig verbrannter Ruß auch bei niedrigeren Temperaturen verbrannt wird.
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In einer Ausführungsform ist die Nachbehandlungsstufe durch eine durchströmbare Struktur mit einer hohen Oberfläche gebildet wird, wobei bevorzugt keramische Bauteile verwendbar sind. Da sowohl bei thermischer Arbeitsweise als auch bei katalytischer Arbeitsweise die Oberfläche eine entscheidende Rolle spielt, ist eine große Oberfläche sinnvoll.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eine seitliche Brenngaszufuhr, welche Brenngas und Sekundärluft in die Brennkammer in Form eines Zyklons fördern soll, als Venturikanal ausgebildet ist. Dadurch erfolgt eine verbesserte Durchmischung von Brenngas und Sekundärluft.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Tauchrohr als Venturikanal ausgebildet ist. Dies gestattet eine bessere Durchmischung der Strömung im Tauchrohr. Insbesondere kann Tertiärluft, die häufig ins Tauchrohr eingeblasen wird, besser mit dem Abgas vermischt werden, wodurch im Tauchrohr eine verbesserte Nachverbrennung stattfinden kann.
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Weitere Einzelheiten sollen nachfolgend anhand der Figuren beschrieben werden.
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Dabei zeigen
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1 einen systematischen Aufbau einer Verbrennungsanlage
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2 eine Darstellung einer Etagenbrennkammer
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3 eine Brennkammer in Form eines Zyklons
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4 eine Brennkammer in Form eines Zyklons mit Venturikanälen
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In 1 ist eine Verbrennungsanlage 1 zu erkennen. In dem umrandeten Bereich ist eine Vergasungszone 2 gezeigt. Durch eine Primärluftzufuhrleitung 3 gelangt Primärluft in die Vergasungszone 2. Wie durch die Pfeile angedeutet strömt die Primäruft von verschiedenen Seiten in die Vergasungszone. Dies wird durch ein erstes Gebläse 4 bewirkt. Das erste Gebläse 4 wird dabei abhängig von der gewünschten Leistung der Verbrennungsanlage 1 geregelt. In der Vergasungszone 2 wird mit Hilfe von Pyrolyse in üblicher Weise aus der Primärluft und eingesetztem Brennstoff, häufig Scheitholz, als Brenngas dienendes Schwelgas erzeugt. Das Brenngas strömt durch ein Verteilungssystem 5 in eine Verbrennungszone 6. Der Massenstrom des durch das Verteilungssystem 5 strömenden Brenngases wird entscheidend durch die Primärluftzufuhr und damit durch den geeigneten Betrieb des ersten Gebläses 4 beeinflusst.
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Die Verbrennungszone 6 weist eine Zufuhrleitung 7 auf, in der sich ein zweites Gebläse 8 zur Zufuhr der Sekundärluft befindet. Das zweite Gebläse dient zugleich zur Zufuhr von Tertiärluft, wie unten noch genauer erklärt wird. Das bei der Verbrennung entstehende Abgas strömt in einen Abgaskanal 9. Dies wird maßgeblich unterstützt durch ein Saugzuggebläse 10, welches so geregelt ist, dass im Abgaskanal 9 ein gewünschter Unterdruck besteht, so dass das Abgas aus der Verbrennungszone 6 in den Abgaskanal 9 strömt.
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2 zeigt die Verbrennungszone 6 detaillierter. Eingesetzt wird hier eine Etagenbrennkammer. Unten ist eine Hauptverbrennungsstufe 11 gezeigt. Rechts ist das Verteilungssystem 5 dargestellt, durch die das Brenngas in die Hauptverbrennungsstufe 11 gelangt. Durch die links liegende Zufuhrleitung 7 wird die Sekundärluft und die Tertiärluft gefördert. Zur Vorwärmung der Sekundärluft und der Tertiärluft verläuft der Kanal 7 in hier nicht dargestellter Weise an einer die Verbrennungszone 6 umgebenden Brennkammer oder an einer die Vergasungszone 2 umgebenden Vergasungskammer entlang. Durch die Vorwärmung der Sekundärluft wird die Verbrennung durch eine geringe Abkühlung der Reaktionszonen und eine bessere Durchmischung der Verbrennungsluft mit dem Brenngas deutlich verbessert. Die Sekundärluft gelangt durch eine Sekundärluftleitung 12 in die Hauptverbrennungsstufe 11. Hierzu dient eine Reihe von Düsen, die in verschiedenen Ebenen in den Innenwänden der die Hauptverbrennungsstufe 11 umgebenden Kammer angeordnet sind. In der Hauptverbrennungsstufe 11 findet die Verbrennung im Wesentlichen statt. Das die Hauptverbrennungsstufe 11 verlassende Abgas enthält noch eine beachtliche Menge unverbrannter Bestandteile. In einer Nachverbrennungsstufe 13 erfolgt eine weitere Verbrennung. Um diese optimal ablaufen zu lassen, wird über eine Tertiärluftleitung 14 Tertiärluft zugeführt. Sekundärluft und Tertiärluft unterscheiden sich also nur darin, in welchem Bereich der Verbrennungszone die Zufuhr erfolgt.
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Bei der Nachverbrennungsstufe 13 handelt es sich um ein kompakt konstruiertes Modul, das in mehreren Sektoren unterteilt ist. Im jeden Sektor befindet sich ein Turbulator für die Intensivierung der Durchmischung mit der Tertiärluft und Abscheidung von Staubpartikel, die die poröse Struktur blockieren können. Durch die kompakte Bauweise der Nachverbrennungsstufe 13 kann weniger Wärmeverlust auftreten. Dadurch werden die oxidierbaren Bestanteile des Abgases in der effektiven Reaktionszone länger verweilen und somit wird eine bessere Oxidation gewährleistet. Die Turbulatoren werden manuell mit einem Hebel oder automatisch durch einen Vibrator von den abgeschiedenen Stäuben gereinigt.
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Das Abgas verlässt die Nachverbrennungsstufe 13 und gelangt in eine Nachbehandlungsstufe 15. Bei der Nachbehandlungsstufe 15 handelt es sich um eine dreidimensionale poröse Struktur, die aus losen Materialen besteht und je nach Material und Betriebsphase bzw. vorhandenen Bedingungen thermisch und/oder katalytisch funktioniert. Die Nachbehandlungsstufe 15 sorgt sowohl für die weitere Behandlung der schwer oxidierbaren Komponenten, die die Hauptverbrennungsstufe 11 und die Nachverbrennungsstufe 13 passieren können, als auch für die Abscheidung und Sammlung von organischen Partikeln, wie etwa Ruß, in den Betriebsphasen, bei denen die Temperatur für eine vollständige Oxidation nicht ausreichend ist. Diese Partikel werden später bei Erreichen einer günstigen Temperatur vollständig oxidiert und dadurch wird die Struktur ohne zusätzliche Energie regeneriert. Ein besonderer Vorteil der Nachbehandlungsstufe 15 ist, dass die heiße Struktur die Aktivierungsenergie für die Reaktion wie z.B. bei der Ausbrandphase bereitstellen kann. Außerdem werden die anorganischen Feinstäube in dieser Struktur durch verschiedene Effekte, wie z. B. Sperrung, Sedimentation und Diffusion, gefiltert. Dadurch steigt der Druckverlust an. Daher muss die Struktur von Zeit zu Zeit mechanisch durch Rütteln von den anorganischen Stäuben gereinigt werden. Das Rütteln kann manuell erfolgen oder automatisch durch einen Vibrator.
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Anstelle der Hauptverbrennungsstufe 11 und der Nachverbrennungsstufe 13 kann eine in 3 gezeigte Brennkammer 16 in Form eines Zyklons eingesetzt werden. Das aus der hier nicht dargestellten Vergasungszone 2 kommende Brenngas wird durch das Verteilungssystem 5 zur Brennkammer 16 geführt. In einem Zumischungsbereich 17 wird erhitzte Sekundärluft zugemischt. Das Gemisch aus Sekundärluft und Brenngas strömt von der Seite in den oberen Bereich 18 der Brennkammer 16 ein. Dadurch wird eine Zirkulation des Gemischs einhergehend mit einer weiteren Vermischung bewirkt. Das Gemisch strömt gleichsam auf einer Schraubenlinie weiter nach unten in der sich verjüngenden Brennkammer 16 in einen unteren Bereich 19 der Brennkammer 16. Im unteren Bereich 19 erfolgt im Wesentlichen die Verbrennung, so dass dieser der Hauptverbrennungsstufe entspricht. Vom unteren Bereich 19 strömt das bei der Verbrennung entstehende Abgas in ein in von oben in die Brennkammer eintauchendes Tauchrohr 20. Im Tauchrohr 20 erfolgt unter Zufuhr von vorgewärmter Tertiärluft eine weitere Verbrennung, die derjenigen in der Nachverbrennungsstufe entspricht. Das Abgas strömt von dort weiter in die Nachbehandlungsstufe 15, die angesichts der guten Verbrennung in der Brennkammer 16 oft entfallen kann.
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Durch die rotierende Strömung in der Brennkammer 16 werden feste Bestandteile nach außen geschleudert und fallen in den Aschekasten 21.
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Die in 4 gezeigte Brennkammer 16 unterscheidet sich von der in 3 gezeigten Brennkammer dadurch, dass zur verbesserten Strömungsführung das Verteilungssystem 5 strömungsabwärts vom Zumischungsbereich 17 als Venturi-Kanal 22 ausgeführt ist. Ebenso ist das Tauchrohr 20 als Venturi Kanal 23 ausgeführt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verbrennungsanlage
- 2
- Vergasungszone
- 3
- Primärluftzufuhrleitung
- 4
- erstes Gebläse; Primärluftgebläse
- 5
- Verteilungssystem
- 6
- Verbrennungszone
- 7
- Zufuhrleitung für Sekundärluft und Tertiärluft
- 8
- zweites Gebläse
- 9
- Abgaskanal
- 10
- Saugzuggebläse
- 11
- Hauptverbrennungsstufe
- 12
- Sekundärluftleitung
- 13
- Nachverbrennungsstufe
- 14
- Tertiärluftleitung
- 15
- Nachbehandlungsstufe
- 16
- Brennkammer in Form eines Zyklons
- 17
- Zumischungsbereich
- 18
- oberer Bereich der Brennkammer 16
- 19
- unterer Bereich der Brennkammer 16
- 20
- Tauchrohr
- 21
- Aschekasten
- 22
- Venturikanal in der Brenngaszufuhr
- 23
- Venturikanal im Tauchrohr 20
