DE202014003709U1 - Heizkessel für Hackgut und pelletierte Biomasse mit optional integrierbarer Kraftwärmekopplungseinheit - Google Patents

Heizkessel für Hackgut und pelletierte Biomasse mit optional integrierbarer Kraftwärmekopplungseinheit Download PDF

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Abstract

Heizkessel für Hackgut und pelletierte Biomasse mit den Einzelkomponenten Gegenstromvergaser, Brennkammer mit schadstoffarmen Brenner, optional integrierter Kraft-Wärme-Kopplungseinheit und Heizwärmetauscher, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergasung der Biomasse mit Primärluft (1) auf einem beweglichen Rost bzw. auf einem festem Rost mit beweglichen Element (2) zum automatischen Ascheaustrag im Gegenstromverfahren stattfindet.

Description

  • Der Stand der Technik bei der Verfeuerung von Biomasse in der Form von Hackgut aus Holz bzw. von pelletierter Biomasse besteht darin, die Biomasse auf Rostfeuerungen, Muldenfeuerungen, Unterschub- oder Abwurffeuerungen zu verbrennen. Dort wird die Biomasse zunächst mit Primärluft vergast und direkt daran anschließend mit Sekundärluft verbrannt. Allen diesen Feuerungen ist gemeinsam, dass sie einen relativ hohen Gehalt an Feinstäuben produzieren. Diese gesundheitlich schädlichen Emissionen müssen anschließend aufwändig durch ein Filtersystem abgetrennt werden.
  • Bei der dem Gebrauchsmuster zugrunde liegenden Erfindung wir ein völlig neuer Weg beschritten (vgl. Zeichnung in der Anmeldung). Der Heizkessel mit optional integrierter Kraft-Wärme-Kopplungseinheit zur Stromerzeugung besteht aus den Einzelkomponenten Vergaser, Brennkammer und Wärmetauscher. Die Funktion der einzelnen Komponenten und ihr Zusammenspiel wird im Folgenden erläutert:
    Die Biomasse wird zunächst mit Primärluft (Nr. 1 in der Zeichnung) auf einem Rost (2) im sogenannten Gegenstromvergasungsverfahren vergast. Dies geschieht bei einer Luftverhältniszahl von ca. 0,3–0,4 bei Temperaturen zwischen 1000 und 1200°C und es wird ein brennbares Gasgemisch aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Methan sowie langkettigen Kohlenwasserstoffverbindungen erzeugt. Bei diesen hohen Temperaturen schmelzen und verdampfen auch wesentliche Bestandteile der Asche. Dieses Gasgemisch durchströmt nach oben hin die kalte Schüttung aus Biomasse (3), die eine gewisse Mindesthöhe aufweisen muss. Dabei kühlen sich die Gase einerseits ab (es werden langkettige Kohlenwasserstoffe sowie anorganische Verbindungen, d. h. Aschebestandteile aus Alkali- und Erdalkalielementen auskondensiert) und andererseits wirkt die Schüttung aus Biomasse geleichzeitig als Schüttschichtfilter, der gröbere Aschebestandteile (z. B. Mineralien, Holzkohlestücke) zurückhält. Dadurch, dass die Biomasse am Rost durch die Vergasung verbraucht wird, erneuert sich die Schüttung von oben her durch automatische Zufuhr kalter Biomasse (4). Die Schüttung wirkt also wie ein Schüttschichtfilter, der sich ständig erneuert. Die unbrennbaren Anteile werden schließlich über den Rost (2), der über einen Dreharmverfügt, oder selber drehbar ist ausgeschläußt.
  • Das demzufolge im Vergleich zur herkömmlichen Biomasseverbrennung stark gereinigte Gas wird unmittelbar nach der Vergasungseinheit einer Brennkammer (8) zugeführt, die über einen schadstoffarmen Brenner (7), vorzugsweise als Drallbrenner ausgeführt, verfügt. Dem Brenngas wird im Brenner die Sekundärluft (6) zugeführt. Die Brennkammer kann luftgekühlt ausgeführt werden, wenn die Brennkammeraustrittstemperatur auf eine Kraft-Wärmekopplungseinheit (9), vorzugsweise ausgeführt als Stirlingmotor, angepasst werden muss. Oder sie kann wassergekühlt ausgeführt werden, wenn es rein um die Abgabe von Heizleistung geht.
  • Durch die erfindungsgemäße Ausführung der Biomasseverbrennung lässt sich ein noch nie dagewesener niedriger Schadstofflevel erreichen. Weitere Maßnahmen zur Minimierung z. B. der Staubemissionen werden dadurch überflüssig.
  • Die sehr staubarme Verbrennung lässt auch die Integration von Kraft-Wärme-Kopplungseinheiten direkt im Anschluss an die Brennkammer zu, ohne dass, wie bisher befürchtet werden muss, dass der Wärmetauscher z. B. eines Stirlingmotors durch Staub zugesetzt wird oder durch Hochtemperaturkorrosion (hervorgerufen durch Chlor im Flugstaub) zerstört wird.
  • Im Anschluss an die Brennkammer (optional mit KWK-Einheit) schließt sich ein Heizwärmetauscher (10) an, der die restliche Nutzenergie an den Heizkreislauf (11) abgibt.
  • Vorzugsweise ist dieser Wärmetauscher so auszuführen, dass eine Taupunktunterschreitung erreicht wird um die in der Biomasse enthaltene Energie optimal zu nutzen (Brennwerttechnik). Hierzu muss der Wärmetauscher aus einem korrosionsfestem Material wie kunstharzgebundener Kohlenstoff, Keramik oder Edelstahl ausgeführt werden. Alternativ kann der Wärmetauscher auch aus konventionellem Kesselstahl ausgeführt werden, wenn man die Taupunktunterschreitung z. B. durch eine Rücklaufanhebung vermeidet.
  • Der Einsatzbereich der Erfindung beschränkt sich auf stückige und pelletierte Biomasse, wobei das Prinzip des Heizkessels auf Feuerungswärmeleistungen von ca. 4 kW bis 1000 kW angewendet werden kann.
  • Die einzelnen Komponenten werden vorzugsweise in ein gemeinsames Gehäuse integriert. Bei sehr großen Anlagen ist aus Transportgründen auch eine getrennte Aufstellung der Einzelkomponenten möglich.

Claims (6)

  1. Heizkessel für Hackgut und pelletierte Biomasse mit den Einzelkomponenten Gegenstromvergaser, Brennkammer mit schadstoffarmen Brenner, optional integrierter Kraft-Wärme-Kopplungseinheit und Heizwärmetauscher, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergasung der Biomasse mit Primärluft (1) auf einem beweglichen Rost bzw. auf einem festem Rost mit beweglichen Element (2) zum automatischen Ascheaustrag im Gegenstromverfahren stattfindet.
  2. Heizkessel nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Schüttung (3) so hoch bemessen ist, dass sie die geforderte Kühl- und Filterwirkung aufweist, so dass keine weitere Filtermaßnahme erforderlich ist, um die jeweiligen gesetzlichen Anforderungen an Heizkessel für Biomasse gemäß 1. BlmSchV einzuhalten.
  3. Heizkessel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gereinigte und gekühlte Brenngas mittels eines schadstoffarmen Brenners (vorzugsweise Drallbrenner) (7) mit Sekundärluft (6) so in der Brennkammer verbrannt wird, dass die jeweiligen gesetzlichen Anforderungen an Heizkessel für Biomasse gemäß 1. BlmSchV einzuhalten sind.
  4. Heizkessel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass optional am Ausgang der Brennkammer der Wärmeübertrager einer Kraft-Wärme-Kopplungseinheit (9) zur Stromerzeugung platziert werden kann.
  5. Heizkessel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Brennkammer ein Heizwärmetauscher (10) aus herkömmlichen Kesselstahl oder vorzugsweise aus korrosionsbeständigem Material wie kunstharzgebundenem Kohlenstoff oder Keramik oder Edelstahl zur Brennwertnutzung angeordnet ist.
  6. Heizkessel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzwärme aus energetischen Verwertung der Biomasse an den Heizkreislauf (11) abgegeben wird.
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