DE19850376C2

DE19850376C2 - Vorrichtung zum Verbrennen von Bio- und Feststoffmassen mit primärer Schadstoffminderung - CO, NOx und Staub

Info

Publication number: DE19850376C2
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: 2000-09-28
Anticipated expiration: 2018-11-03
Also published as: DE19850376A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung beschrieben, die es ermöglicht, den Verbrennungsprozess von Bio- und Feststoffmassen so zu führen, dass im Feuerraum die zur primären Schadstoffminderung notwendigen Bedingungen erfüllt werden. Der Feuerraum besteht aus einer feuerfest ausgekleideten Vergasungs- und einer Brennkammer, die so miteinander verbunden sind, dass heißes Gas aus der Brennkammer in die Vergasungskammer geleitet werden kann. Dieses Gas dient in der Vergasungskammer zum Transport der Entgasungsprodukte aus dem Brennstoffbett in die Brennkammer und zur Erzielung der notwendigen Temperatur in der Vergasungskammer. Diese Anordnung ermöglicht eine Brennstoffvergasung unter minimaler Primärluftzugabe. Bei Teillast kann so ein schnelles Auskühlen von Vergasungs- und Brennkammer verhindert werden. Die Luftzuführung für Primär- und Sekundärluft erfolgt über getrennte, geregelte Gebläse, womit die Menge des zirkulierten Heißgases eingestellt werden kann und eine optimale Durchmischung von Brenngasen und Verbrennungsluft erzielt wird.

Description

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 we sentlich zu vermindern.

Zur Wärmegewinnung aus Biomassen sind mehrere Verbrennungssysteme wie Schubrost- und Schrägrostfeuerungen, Unterschub-Schneckenfeuerungen und die Fließbettentgasung (EP 0 076 353 A2) 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 eines speziellen Ge bläses zur Erzeugung einer rotierenden Gasströmung (Gliederkopfgebläse EP 0 473 618 B1) auf Grund des Prinzips der "Verbrennung in einer rotierenden Gaswalze" 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 Patentschrift US 5 178 076 ist eine Vorrichtung zur Biomasseverbrennung bekannt, die über eine zweigeteilte Brennkammer mit getrennten Luftzuführungen verfügt. Der Übergang von Primär- zur Sekundärbrennkammer erfolgt über eine Verengung des Strömungsquerschnitts (Düse) wo die Sekundärluftzugabe erfolgt. Die Sekundärluft wird dabei innerhalb der Schamot tierung der Primärbrennkammer entlang geführt und somit vorgewärmt. Die Sekundärluft dient dabei gleichzeitig zur Kühlung der Primärbrennkammer.

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 Kamin 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: Primär maßnahmen 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 dort reduzie rende Bedingungen zu schaffen. Dazu wird im Primärbereich der Feuerung ein Teilstrom der abgekühlten Rauchgase über separate Gebläse wieder zugegeben. Dies erfordert einen zusätzli chen 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 diese vollständig ausgebrannt sind.

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.

Die Verbrennungsluft wird über getrennte Gebläse in der Vergasungskammer (10) und in der Brennkammer (30) zugeführt. Durch den Einsatz eines speziellen Gebläses (Gliederkopfgebläse 40.1) wird in der Brennkammer eine Drallströmung erzeugt, die für eine gute Durchmischung von Vergasungsprodukten (11) und Sekundärluft (32) sorgt. Dadurch kann der zur vollständigen Verbrennung notwendige Luftüberschuß erheblich reduziert werden, was sich positiv auf den Wirkungsgrad (weniger Abgasverluste) auswirkt. Außerdem wird die Drallströmung (31) in der Brennkammer (30) dazu benutzt, durch Flieh- und Trägheitskräfte Partikel abzuscheiden, die über den Heißgas-Rückführkanal (35) mit dem zirkulierenden Heißgas (33) wieder in die Verga sungskammer (10) gelangen. Dadurch kann der sonst hinter solchen Anlagen übliche Zyklon abscheider 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).

Im Wandbereich der Brennkammer (30), wo der Flammkanal (25) in die Brennkammer mündet, entsteht durch die hohe Einströmgeschwindigkeit der Sekundärluft (32) ein relativer Unterdruck. Auf der gegenüberliegenden Wandseite herrscht relativer Überdruck. Diese Druckdifferenz dient zur Heißgaszirkulation (33). Je nach Gestaltung der Brennstoffaufgabe in der Vergasungskam mer (10) kann es erforderlich sein die Druckdifferenz zur Heißgaszirkulation zu erhöhen. Dies kann z. B. durch eine Ausbildung der Primärluftzuführung (14) als Injektor erfolgen.

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 Gebläse.

In der feuerfest ausgekleideten Vergasungskammer (10) wird der Brennstoff (12) über einen Schneckenförder (13) zugeführt. Mit dem Gebläse (40.2) wird die zur Vergasung notwendige Primärluft (14) zugegeben. Die Primärluftzuführung ist in Fig. 1 als Injektor ausgebildet, so dass über die Öffnung (21) Heißgas (33) vom Ende der Brennkammer (30) zusammen mit der Pri märluft (14) der Vergasungskammer (10) zugeführt wird. Die Vergasungsprodukte (11) gelan gen über den Flammkanal (25) in die feuerfest ausgekleidete Brennkammer (30). Das Glieder kopfgebläse (40.1) setz 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 Kesselwasser abgibt. Das abgekühlte Rauchgas (60) gelangt direkt oder über einen Entstauber in den Schornstein. Die ausgebrannte Asche (23) bleibt am Ende der Vergasungskammer (10) liegen, wo sie entweder mit einer Schnecke abgezogen werden kann oder in periodischen Abständen manuell entfernt werden muß.

BEZUGSZIFFERNLISTE

10

Vergasungskammer (feuerfest ausgekleidet)

11

Vergasungsprodukte

12

Brennstoff

13

Schneckenförderer (Brennstoff)

14

Primärluft (Frischluftzufuhr Vergasungskammer)

20

Wand (feuerfest)

21

Öffnung

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

Gebläse Brennkammer

40.2

Gebläse Vergasungskammer

50

Kessel (Rauchrohrkessel)

60

Rauchgas

Claims

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

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergasungskammer (10) über eine eingebaute Wand (20) mit einer Öffnung (21) verfügt, über die die Primärluft (14) und das Heißgas (33) in die Vergasungskammer (10) gelangen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachsen der Vergasungskammer (10) und der Brennkammer (30) stehend an geordnet sind.