DE19850376A1

DE19850376A1 - Vorrichtung zum Verbrennen von Bio- und Feststoffmassen mit primärer Schadstoffminderung - CO, NOx und Staub

Info

Publication number: DE19850376A1
Application number: DE19850376A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Zuberbuehler; Guenter Baumbach
Original assignee: Universitaet Stuttgart
Current assignee: Universitaet Stuttgart
Priority date: 1998-11-02
Filing date: 1998-11-02
Publication date: 2000-05-25
Anticipated expiration: 2018-11-03
Also published as: DE19850376C2

Abstract

Es wird eine Vorrichtung beschrieben, die es ermöglicht, den Verbrennungsprozeß von Bio- und Feststoffmassen so zu führen, daß die zur primären Schadstoffminderung notwendigen Bedingungen im Feuerraum erfüllt werden. Der Feuerraum besteht aus einer feuerfest ausgekleideten Vergasungs- und einer Brennkammer, die so miteinander verbunden sind, daß heiße Gase aus der Brennkammer in die Vergasungskammer geleitet werden können. Durch diese Anordnung kann auch bei Teillast ein Auskühlen von Vergasungs- und Brennkammer verhindert werden. Die Luftzuführung erfolgt über Gliederkopfgebläse, wodurch eine optimale Durchmischung von Brenngasen und Verbrennungsluft erzielt wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verbrennen von Bio- und Feststoffmassen. Bio massen, die zur thermischen Nutzung zur Verfügung stehen, sind z. B. Restholz aus der Durch forstung, Grünschnitt, Abfälle bei der Holzbe- und -verarbeitung und Gebrauchtholz aus dem Recycling- und Abbruchbereich. Biogene Brennstoffe liegen in unterschiedlicher Form, wie z. B. als Stückholz, Späne, Sägemehl und Schleifstaub sowie als Gemisch vor.

Die fortschreitende Entwicklung im Bereich Werkstoffe und Fertigungstechnologien in der holzverarbeitenden Industrie, hat einen erheblich feineren staubartigen Produktionsabfall zur Folge. Diese biogenen Produktionsabfälle weisen je nach Art und Menge der verarbeiteten Werkstoffe (z. B. Spanplatten) einen Stickstoffgehalt von bis zu 4% auf, was bei der Verbren nung in derzeit üblichen Feuerungen zu sehr hohen NOx- und Staubkonzentrationen im Abgas führen kann.

In holzbe- und -verarbeitenden Betrieben werden Biomassefeuerungen hauptsächlich zur Behei zung der Betriebsgebäude und zur Prozeßwärmeerzeugung eingesetzt. Die momentan installier ten Feuerungen, weisen im Vergleich zu Öl- und Gasfeuerungen sehr hohe Emissionen an Koh lenmonoxid (CO), Stickstoffoxiden (NOx) und Staub auf. Die beschriebene Erfindung ermög licht es, die Schadstoffemissionen bei der Biomasseverbrennung durch Primärmaßnahmen wesentlich zu vermindern.

STAND DER TECHNIK

Zur Wärmegewinnung aus Biomassen sind mehrere Verbrennungssysteme wie Schubrost- und Schrägrostfeuerungen, Unterschub-Schneckenfeuerungen und die Fließbettentgasung (EP-A2 0 076 353) bekannt. Die CO-Emissionen im Abgas von Holzfeuerungen hängen im wesentlichen von den Ausbrandbedingungen (Temperatur, Verweilzeit, Sauerstoffangebot, Vermischung) in der Brennkammer ab. Staubartige Brennstoffe, die sehr trocken sind und deren Struktur in den meisten Fällen als "einblaspflichtig" im Sinne der Vorschrift TRD 414 "Holzfeuerungen an Dampfkesseln" einzustufen ist, oder die zumindest im Grenzbereich dieser Vorschrift angesie delt sind, erreichen mit der bekannten Einblasfeuerung unter Verwendung des Gliederkopf gebläses (EP-B1 0 473 618) auf Grund des Prinzips der "Verbrennung in einer rotierenden Gas walze" sehr gute Emissionswerte. Der Leistungsbereich solcher Feuerungsanlagen liegt zur Zeit zwischen 0,5 und 10 MW.

Bei Holzfeuerungen für den gewerblichen Bereich (100-1000 kW) konnten, durch die Brenn kammergestaltung (z. B. vollständige Schamottierung, gestufte Brennkammer mit getrennter Primär- und Sekundärluftzuführung) und durch den Einsatz elektronischer Regelungen, die CO-Emissionen im Vergleich zu älteren Feuerungsanlagen wesentlich reduziert werden. Aus der EP-B1 0 473 618 ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt, bei der eine durch ein sogenanntes Gliederkopfgebläse erzeugte Gasströmung einen optimalen Verbrennungsprozeß ermöglicht.

Die NOx-Emissionen hängen bei der Holzverbrennung direkt vom Stickstoffgehalt des einge setzten Brennstoffes ab. Spanplatten enthalten aufgrund von stickstoffhaltigen Bindemitteln und Beschichtungen (z. B. Melamin) gegenüber naturbelassenem Holz wesentlich mehr Stickstoff, was zu sehr hohen NOx-Konzentrationen im Abgas führt (ZUBERBÜHLER U., BAUMBACH G. 1998: Feuerungen in der holzbe- und -verarbeitenden Industrie - Techniken, Emissionen, Neu entwicklungen. In Tagungsband: Emissionsarme Holzverbrennung in häuslichen und gewerb lichen Feuerungsanlagen, Kolloquium am 29. September 1998 in Stuttgart, S. 53-66). Die Partikelemissionen unterliegen vielfältigen Einflüssen. Je feinkörniger die Brennstoffe sind, desto eher besteht die Möglichkeit, daß unverbrannte Brennstoff- und Aschepartikel von der Strömung im Feuerraum mitgerissen werden und so der Gasströmung durch den Wärmetauscher folgen, wo sie eine Schlüsselrolle bei der Neubildung von Dioxinen und Furanen spielen. Durch Sekundärmaßnahmen können diese relativ groben Partikel zwischen Wärmetauscher und Karnin mit einem Zyklon abgeschieden werden. Auch die NOx-Konzentrationen lassen sich durch sekundäre Maßnahmen mindern, was einen erheblichen apparativen und regelungstechnischen Aufwand darstellt, der für Feuerungen < 1 MW wirtschaftlich nicht vertretbar ist.

Die Prinzipien zur primären NOx-Minderung sind hinreichend bekannt, aber an bestehenden Holzfeuerungen erst ansatzweise umgesetzt (NUSSBAUMER T. 1997: Primär- und Sekundär maßnahmen zur Stickoxidminderung bei Holzfeuerungen. In: Moderne Feuerungstechnik zur energetischen Verwertung von Holz und Holzabfällen, VDI Sonderpublikation, S. 279-308). Um die notwendigen Bedingungen zur primären NOx-Minderung im Feuerraum einzustellen, wird dieser räumlich in Primär- und Sekundärzone getrennt (Luftstufung). Dazwischen wird bei hoher Temperatur und Luftmangel eine Reduktionszone eingerichtet (KELLER R. 1994: Pri märmaßnahmen zur Stickoxidminderung bei der Verbrennung von Holz und Spanplatten. VDI Fortschritt-Berichte, Reihe 15: Umwelttechnik Nr. 129). Im Praxisbetrieb ist es jedoch sehr schwer, die zur NOx-Minderung notwendigen Bedingungen einzustellen, da die Feuerungen - je nach momentanem Wärmebedarf mit unterschiedlicher Last betrieben werden. In Feuerungs anlagen < 1 MW bei denen Holzwerkstoffe und Spanplatten eingesetzt werden wird zur NOx-Minderung die Rauchgasrezirkulation eingesetzt. Dadurch soll erreicht werden, die Feuerung im Primärbereich möglichst unterstöchiometrisch (mit Luftmangel) zu betreiben, um im Primär bereich reduzierende Bedingungen zu schaffen. Dazu wird im Primärbereich der Feuerung ein Teilstrom der abgekühlten Rauchgase über separate Gebläse wieder zugegeben. Dies erfordert einen zusätzlichen Steuer- und Regelaufwand.

Partikel im Abgas werden bei Anlagen < 1 MW in der Regel mit Trägheitsabscheidern (meist Zyklon) aus dem Abgas entfernt. Bei Feuerungsanlagen < 1 MW werden zur Entstaubung auf grund des einzuhaltenden TA-Luft Grenzwertes Elektrofilter eingesetzt. Bei Feuerungen mit einem hohen Anteil an sehr feinen Partikeln (< 1 µm) im Abgas werden vereinzelt Gewebefilter eingesetzt, da die sehr feinen Partikel mit einem Zyklon oder Elektrofilter nicht effektiv abge schieden werden können.

Die nachträgliche Partikelabscheidung stellt immer einen apparativen Aufwand dar. Außerdem entstehen hier Reststoffe, die u. U. teuer entsorgt werden müssen. Bei der beschriebenen Erfin dung verbleiben die von der Strömung mitgerissenen unverbrannten Partikel im heißen Feuer raum, bis sie vollständig ausgebrannt sind.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik, eine Vorrichtung zum Verbrennen von Bio- und Feststoffmassen aufzuzeigen, mit der derartige Massen so verbrannt werden können, daß möglichst wenig Schadstoffe entstehen und emittiert werden. Die Erfindung dient dazu, die teilweise sehr hohen CO-, NOx-, und Staubemissionen bei der Verbrennung von Bio- und Feststoffmassen durch primäre Maßnahmen erheblich zu senken. Diese Erfindung ist durch die Merkmale des Hauptanspruchs gegeben.

Bei der entsprechenden Vorrichtung mit einer Vergasungskammer (10) und einer Brennkammer (30), die über die Kanäle (25 u. 35) miteinander verbunden sind und eine Einheit bilden, kann Heißgas (33) aus der Brennkammer (30) in die Vergasungskammer (10) zurückgeführt werden. Dadurch können in den beiden Kammern die zur primären NOx-Minderung notwendigen Bedin gungen eingestellt werden. Durch die Heißgaszirkulation können diese Bedingungen auch bei Teillastbetrieb realisiert werden. Bei herkömmlichen Feuerungsanlagen kühlt der Feuerraum bei Teillast schnell aus, was zu erhöhten Emissionen führt. Dieser Effekt wird durch die Heißgaszir kulation erheblich vermindert. Es handelt sich hierbei nicht um die bereits vielfach angewendete Rauchgasrückführung.

Durch den Einsatz von Gliederkopfgebläsen werden in der Vergasungs- und Brennkammer Drallströmungen erzeugt, die für eine gute Durchmischung sorgen (Gebrauchsmuster DE 297 07 893 U1). Dadurch kann der zur vollständigen Verbrennung notwendige Luftüberschuß erheblich reduziert werden, sich positiv auf den Wirkungsgrad (weniger Abgasverluste) auswirkt. Die Drallströmung wird in der Brennkammer (30) dazu benutzt, durch Flieh- und Trägheitskräfte Partikel abzuscheiden, die über den Heißgas-Rückführkanal (35) mit dem zirkulierenden Heiß gas (33) wieder in die Vergasungskammer (10) gelangen. Dadurch kann der sonst hinter solchen Anlagen übliche Zyklonabscheider entfallen.

Das wesentlich Neue bzw. der Kern der Erfindung besteht darin, daß nicht bereits durch den Wärmetauscher abgekühltes Rauchgas (60) zurückgeführt wird, sondern Heißgas (33) aus der Brennkammer (30) in die Vergasungskammer (10) zurückgeführt wird. Ebenfalls neu ist die Rückführung der abgeschiedenen Partikel von der Brennkammer (30) in die Vergasungskammer (10). Unverbrannte Partikel müssen somit nicht entsorgt werden.

Die aus der Patentschrift des Gliederkopfgebläses (EP 0 473 618) bekannte Drallströmung wird dazu benutzt einen Teil des Heißgases am Ende der Brennkammer (30), bevor dieses den Wär metauscher durchströmt, abzuleiten und über Heißgas-Rückführungskanal (35), der in die Ver gasungskammer (10) mündet, wieder in die Vergasungskammer (10) zu fördern, wo es mit dem rotierenden Vergasungsprodukten (11) intensiv vermischt wird. Im Wandbereich des Glieder kopfgebläse (40.1 u. 40.2) entsteht durch die hohe Gasaustrittsgeschwindigkeit am Ringspalt (41.2) ein Unterdruck; auf der jeweils gegenüberliegenden Seite der Kammer ein Überdruck. Die Gliederkopfgebläse (40.1 u. 40.2) sind so angeordnet, daß diese axialen Druckunterschiede der beiden Kammern als treibende Kraft zur Heißgaszirkulation (33) dienen. Die Steuerung der beiden Gliederkopfgebläse erfolgt über getrennte Frequenzumrichter anhand der im Abgas ge messen Sauerstoffkonzentration. Durch Variation der Gebläsedrehzahlen kann sowohl die ins gesamt zugeführte Luftmenge als auch die zirkulierte Heißgasmenge eingestellt werden.

Zum Betrieb der Feuerung reichen in der Regel die Gliederkopfgebläse aus. Ist der gasseitige Druckverlust des Kessels sehr hoch oder soll der Kessel aus Sicherheitsgründen mit Unterdruck gegenüber der Umgebung betrieben werden, kann ein Saugzuggebläse zwischen Kessel und Kamin eingesetzt werden.

Bei Feuerungen mit kleiner Leistung (bis ca. 100 kW) kann der Brennstoff, abweichend von der in Fig. 1 dargestellten Ausführung der Erfindung, auch in stückiger Form in der Brennkammer (30) zugeführt werden. Bei dieser Ausführung kann auf den Schneckenförderer (13) und das Gliederkopfgebläse (40.2) verzichtet werden.

Die in Fig. 1 dargestellte "liegende" Ausführung der Vergasungskammer (10) und Brennkammer (30) kann auch als "stehende" Ausführung betrieben werden, wobei der Hitzeschild (42.2) des Gliederkopfgebläses (40.2) als Feuermulde ausgebildet ist, wo der Brennstoff (12) mittels Schneckenförderer (13) zugeführt wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die Erfindung wird im folgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei spiels näher beschrieben und erläutert. Es zeigt

Fig. 1 Längs- und Querschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer feuerfest ausge kleideten Vergasungs- und Brennkammer mit je einem Gliederkopfgebläse.

DIE VORRICHTUNG WIRD WIE FOLGT BETRIEBEN

In der feuerfest ausgekleideten Vergasungskammer (10) wird der Brennstoff über einen Schnec kenförderer (12) wie bei einer konventionellen Unterschubfeuerung zugeführt. Mit dem Glieder kopfgebläse (40.2) wird über den Ringspalt (41.2) die zur Vergasung notwendige Primärluft (14) zugegeben. Das Gliederkopfgebläse (40.2) setzt in der Vergasungskammer (10) die Vergasungs produkte (11) in Rotation. Dabei wird zirkulierendes Heißgas (33), das über den Heißgas-Rück führkanal (35) in die Vergasungskammer (10) gelangt, mit den Vergasungsprodukten (11) ge mischt. Dieses unvollständig verbrannte Gasgemisch gelangt über den Flammkanal (25) in die feuerfest ausgekleidete Brennkammer (30). Das Gliederkopfgebläse (40.1) setzt das Heißgas (31) in der Brennkammer (30) in Rotation. Außerdem wird mit dem Gliederkopfgebläse (40.1) die zur vollständigen Verbrennung nötige Sekundärluft (32) zugeführt. Anschließend durchströmt das vollständig verbrannte Heißgas (31) den Kessel (50), wo es seine Wärme an das Kessel wasser abgibt. Das abgekühlte Rauchgas (60) gelangt direkt oder über einen Entstauber in den Schornstein. Im Ascheraum (20) werden von der Drallströmung mitgerissene Asche (23)- und Brennstoffteilchen durch Trägheitskräfte abgeschieden, wo sie die nötige Zeit haben um voll ständig auszubrennen.

BEZUGSZIFFERNLISTE

10

Vergasungskammer (feuerfest ausgekleidet)

11

Vergasungsprodukte (Drallströmung)

12

Brennstoff

13

Schneckenförderer (Brennstoff)

14

Primärluft (Frischluftzufuhr Vergasungskammer)

20

Ascheraum (feuerfest ausgekleidet)

21

Wand (feuerfest)

22

Decke (feuerfest)

23

Asche

25

Flammkanal (feuerfest ausgekleidet)

30

Brennkammer (feuerfest ausgekleidet)

31

Heißgas (Drallströmung)

32

Sekundärluft (Frischluftzufuhr Brennkammer)

33

zirkulierendes Heißgas

35

Heißgas-Rückführkanal (feuerfest ausgekleidet)

40.1

Gliederkopfgebläse Brennkammer

40.2

Gliederkopfgebläse Vergasungskammer

41.2

Ringspalt (Primärluftzuführung mit Gliederkopfgebläse (

40.2

))

42.2

Hitzeschild

50

Kessel (Rauchrohrkessel)

60

Rauchgas

Claims

1. Vorrichtung zur primären Schadstoffminderung, mit einer Vergasungskammer und einer Brennkammer vor dem Wärmetauscher und dem Entstauber, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vergasungskammer (10) und eine Brennkammer (30) mit je einem Gliederkopf gebläse (40.1 und 40.2) über einen Heißgas-Rückführkanal (35) und einen Flammkanal (25) direkt miteinander verbunden sind und eine Einheit bilden, wobei der Heißgas-Rückführ kanal (35) am Ende der Brennkammer (30) plaziert ist und der Flammkanal (25) am Ende der Vergasungskammer (10) unter dem Gliederkopfgebläse (40.1) in die Brennkammer (30) mündet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergasungskammer (10) abströmseitig durch die Einbauten Wand (21) und Decke (22) teils vom Ascheraum (20) getrennt wird und im Flammkanal (25) endet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärluft (14) nicht mit dem Gliederkopfgebläse (40.2), sondern über Öffnungen in der Vergasungskammer (10) im Bereich des Brennstoffs (12) zugeführt wird und nur in der Brennkammer (30) das Gliederkopfgebläse (40.1) platziert ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachsen der Vergasungskammer (10) und der Brennkammer (30) stehend an geordnet sind, wobei der Hitzeschild (42.2) des Gliederkopfgebläses (40.2) als Feuermulde ausgebildet ist, wo der Brennstoff mittels Schneckenförderer (13) zugeführt wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärluft (32) anstelle des Gliederkopfgebläses (40.1) mit einem Druckgebläse über eine oder mehrere Düsen der Brennkammer (30) zugeführt wird.