DE4039698A1

DE4039698A1 - Verfahren zur schadstoffarmen und wirtschaftlichen verbrennung fester brennstoffe sowie vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE4039698A1
Application number: DE4039698A
Authority: DE
Inventors: Guenther Diederichs
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-12-12
Filing date: 1990-12-12
Publication date: 1992-06-17

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur schadstoffarmen und wirtschaftlichen Verbrennung fester Brennstoffe sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Feste Brennstoffe, wie beispielsweise Holz oder Kohle, haben im Gegensatz zu flüssigen Brennstoffen Eigenschaften, die bei ihrer Verbrennung besondere Maßnahmen erfordern. Ursächlich hierfür sind die nachfolgenden Gründe:

1) Die festen Brennstoffe haben je nach Sorte stark unterschiedliche Heizwerte (etwa 2 bis 8 kW), die von der Vermischung verschiedener Brennstoffsorten, unterschiedlicher Feuchtigkeit der Brennstoffe, aber auch der Verbrennungsluft abhängen. Wegen dieser Faktoren sind starke Schwankungen der Emissions- und Leistungswerte zu verzeichnen.
2) Die eingesetzten Materialien, aus denen die Wärmetauscher hergestellt sind, lassen eine Unterschreitung der Taupunkte wegen der Aggressivität der entstehenden Kondensate nicht zu. Die Kondensate der Schwefeldioxide in Form wässeriger Lösung und auch die freiwerdende Essigsäure führen zur raschen Zersetzung der Wärmetauscher.
3) Zur Vermeidung von Kohlenmonoxid (CO) und reinem Kohlenstoff (C) in Form von Ruß werden die Feuerungsanlagen bisher mit sehr hohem Verbrennungsluftüberschuß betrieben. Die dabei entstehenden Stickoxide (NO_x) sind dabei zu hoch.
4) Der Energiebedarf zur Erzeugung des oxydationsfähigen Holzgases ist sehr hoch.
5) In den Flammenzonen gibt es hohe Temperaturdifferenzen.
6) Die Dosierung des Brennstoffs ist schwierig.

Um bei diesen Eigenschaften eine vollständige Verbrennung zu erzielen, muß bei der Zufuhr von Verbrennungsluft sowohl eine unterstöchiometrische, wie auch eine überstöchiometrische Verbrennung erzielt werden, was bisher nicht möglich ist. Bekannte Anlagen sind mit hoher Stickoxidemission behaftet und geben große Mengen von Ruß ab, die in aufwendigen Filteranlagen der Abluft entzogen werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur schadstoffarmen und wirtschaftlichen Verbrennung fester Brennstoffe sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, bei der der feuerungstechnische Wirkungsgrad gegenüber dem Bekannten deutlich verbessert wird, und bei der die schädlichen Abgase weitgehend vermieden werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen 1 und 7 aufgeführten Merkmale gelöst.

Die Erfindung weist gegenüber dem Bekannten den Vorteil auf, daß sich die Abgastemperaturen im Bereich von 40 bis 50°C bewegen. Hierdurch ist eine sichere Unterschreitung aller Taupunkte gegeben. Da die Abgastemperatur nur etwa 40 bis 50°C beträgt, erübrigt sich die Herstellung eines gemauerten Abgaskamins. Vielmehr kann der Abgaskamin aus HT- oder PVDF- Rohr hergestellt sein.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung hervor.

Die Erfindung wird an Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen

Fig. 1 schematisch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit einem Verbrennungsraum, einer Nachverbrennungseinrichtung, einem Staubabscheider, einem Wärmetauscher und einem Abgaskamin,

Fig. 2 schematisch die Nachverbrennungseinrichtung im Detail.

In einem Lagersilo 11 (Fig. 1) gelagerter Brennstoff 14 wird mittels eines durch einen Motor 12 getriebenen Förderers 13 einem Feuerrost 55 in einem Verbrennungsraum 50 zugeleitet. Dort wird mittels einer Füllstandskontrolle 16 die Füllstandshöhe des Brennstoffs 14 von einem Prozeßregler 44 überwacht.

Die Entzündung des Brennstoffs 14 im Verbrennungsraum 50 erfolgt über Zündelektroden 29, die an ein an sich bekanntes Hochspannungsgerät 27 angeschlossen sind und in Abhängigkeit eines Betriebsprogramms einen Lichtbogen erzeugen.

Die Verbrennung des Brennstoffs 14 (Fig. 1) findet zunächst in dem durch eine oder mehrere Zugabtrennwände 51 begrenzten Verbrennungsraum 50 statt. Mittels eines über eine elektrische Leitung 10 von dem Prozeßregler 44 aus mit elektrischem Strom versorgtes Primärluftgebläses 59 wird dem Verbrennungsraum 50 und damit dem Brennstoff 14 über Öffnungen 58 im Feuerrost 55 Verbrennungsluft, sogenannte Primärluft, zugeführt. Die Menge der auf diese Weise zugeführten Primärluft wird durch eine Drosselklappe 52 auf einen, einer unterstöchiometrischen Verbrennung entsprechenden Wert eingestellt. Die sich dabei einstellende Verbrennungstemperatur ist relativ niedrig und bewirkt durch den Mangel an Sauerstoff einen gezielten Überschuß an ungesättigtem Kohlenstoff, wie Kohlenmonoxid (CO) und reinem Kohlenstoff (C). Die Oxydation des in der Verbrennungsluft enthaltenen Stickstoffs (N₂) findet dabei nicht oder nur in geringem Umfang statt. Oxydationsprodukte des Stickstoffs, wie beispielsweise NO oder NO_x, werden daher schon dort verhindert, wo sie an sich entstehen könnten.

Unter dem Verbrennungsraum 50 ist ein Aschefang 56 (Fig. 1) vorgesehen.

Vom Verbrennungsraum 50 (Fig. 1) aus gelangt die Flamme in Richtung eines Pfeils 53 um eine Zugabtrennwand 51 herum zu einem Nachverbrennungsraum 60 (Fig. 1, 2).

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel werden mehrere (in den Zeichnungen nicht dargestellte) Zugabtrennwände verwendet.

In dem Nachverbrennungsraum 60 sind Umlenkbleche 61 vorgesehen, die man auch als Glüh- und Rauchgasumlenkbleche bezeichnet. Die Umlenkbleche 61 werden durch die Flamme stark aufgeheizt.

In einer Ausmauerung 63 (Fig. 2) des Nachverbrennungsraums 60 sind Lufteinlässe 62 (Fig. 1, 2) für Sekundärluft vorgesehen. Die Sekundärluft wird von einem Sekundärluftgebläse 69 über eine Luftverteilerkammer 68 (Fig. 2) in den Nachverbrennungsraum 60 eingeleitet. Die Menge der auf diese Weise zugeführten Sekundärluft wird durch eine Drosselklappe 65 auf einen, einer überstöchiometrischen Verbrennung entsprechenden Wert eingestellt. Die Sekundärluft wird nach ihrer Einleitung in den Nachverbrennungsraum 60 dort auf Reaktionstemperatur aufgeheizt. Dabei unterstützen die heißen Umlenkbleche 61 die Reaktion der ungesättigten Kohlenstoffe (C und CO) mit dem in der Verbrennungsluft enthaltenen Sauerstoff.

Wegen der geringen Flammentemperatur findet die Oxydation des in der Verbrennungsluft enthaltenen Stickstoffs (N₂) auch hierbei nicht oder zumindest nur in sehr geringem Umfang statt.

Anstatt eines einzigen Nachverbrennungsraums 60 sind bei einem (in den Zeichnungen nicht dargestellten) Ausführungsbeispiel mehrere Nachverbrennungsräume vorgesehen.

Zur Stabilisierung erfolgt eine Messung der im Abgas enthaltenen Menge an Restsauerstoff. Mittels einer beheizten Lamda-Sonde 21 (Fig. 1) wird der Partialdruck des Restsauerstoffs in einem Abgaskamin 20 ermittelt. Die Lamda Sonde 21 liefert eine entsprechende EMK über eine Meldeleitung 22 an ein dem Prozeßregler 44 zugeordnetes Regelgerät 1. Dieses beinhaltet in seinem Algorhytmus alle, zu einer Regelung des Lamda-Werts relevanten Daten und läßt sich bei einem Ausführungsbeispiel auf sechzehn einzelne, sich jeweils um 0,05 Lamdawerte nach oben und unten überschneidende Regelbereiche einstellen.

Über eine elektrische Leitung 18 und einen entsprechenden Stellmotor wird eine Stellklappe 19 im Abgaskamin 20 von dem Regelgerät 1 betätigt, wodurch je nach den Eigenschaften des betreffenden Festbrennstoffs und der entsprechenden Energieanforderung die Stabilisierung und die vom Brennstoff unabhängige Zuordnung der Verbrennungsluft und damit die optimale Verbrennung bewirkt werden.

Die in dem Verbrennungsraum 50 (Fig. 1) und dem Nachverbrennungsraum 60 (Fig. 1, 2) erzeugte thermische Energie wird über einen Staubabscheider 67 (Fig. 1), beispielsweise einen an sich bekannten Zyklon, in Richtung eines Pfeils 64 einem Wärmetauscher 30 zugeleitet und mittels eines oder mehrerer Wärmetauscherregister 3S an Heizungswasser übergeben. Eine asymmetrische Einleitung der Rauchgase in den Wärmetauscher 30 mittels eines (in den Zeichnungen nicht dargestellten) entsprechend ausgebildeten Kopfstücks des Wärmetauschers 30 sorgt für die Ausbildung einer vertikalen Rotation der heißen Rauchgase. Die vertikale Rotation gewährleistet intensiven und gleichmäßigen Wärmeübergang im Bereich der Wärmetauscherregister 38.

Eine über eine elektrische Leitung 40 vom Prozeßregler 44 mit Strom versorgte Ladepumpe 39 sorgt für den ständigen Abtransport von Wärmeenergie aus dem Wärmetauscher 30 und übergibt sie in Form aufgeheizten Heizwassers über Druckwasserleitungen 36, 37 mit Hilfe eines weiteren Wärmetauschers 46 einem Wärmespeicher 45. Hier steht die Wärmeenergie zur Abgabe an Verbraucher zur Verfügung.

Ist ein Sollwert für die Temperatur des Heizungswassers erreicht, meldet ein Vorlauftemperaturfühler 41 diesen Wert über eine elektrische Leitung 42 dem Prozeßregler 44. Dieser schaltet den Motor 12 für den Förderer 13 ab. Hierdurch wird die weitere Zufuhr von Brennstoff 14 aus dem Lagersilo 11 in den Verbrennungsraum 50 beendet.

Ein Druckmelder 47 teilt dem Prozeßregler 44 über eine elektrische Leitung 48 einen Druckanstieg in einer Druckwasserleitung 36 mit. Der Druckanstieg findet im gesamten Ladekreis statt, also neben der Druckwasserleitung 36 auch im Wärmetauscher 46 des Wärmespeichers 45, einer Druckwasserleitung 37 und dem Wärmetauscherregister 38.

Auch wenn ein Sollwert für den Druck des Heizungswassers erreicht ist, schaltet der Prozeßregler 44 den Motor 12 für den Förderer 13 ab. Hierdurch wird die weitere Zufuhr von Brennstoff 14 aus dem Lagersilo 11 in den Verbrennungsraum 50 beendet.

Bei gefährlichem Temperatur- und/oder Druckanstieg im Wärmetauscherregister 38, den Druckwasserleitungen 36, 37 und dem Wärmetauscher 46 tritt eine Hilfseinrichtung in Tätigkeit. Diese besteht aus einem Magnetventil 34 (Fig. 1), einer elektrischen Leitung 35 als Verbindung zu dem Prozeßregler 44, einer Sprühdüse 33 und einer Frischwasserleitung 32. Die Sprühdüse 33 ist über dem Wärmetauscherregister 38 bzw. ihm gegenüber angeordnet. Im Bedarfsfall wird das Wärmetauscherregister 38 mit kühlem Frischwasser besprüht und dadurch gekühlt.

Die Besprühung des Wärmetauscherregisters 38 kann auch zum Zweck seiner Reinigung, zur Erhöhung der Kondensatmenge bei zu geringem Anfall von Kondensat und zur Verbesserung des Wärmeübergangs vom Abgas zum Heizungswasser erfolgen.

Die Abgastemperatur stellt sich auf etwa 40 bis 50°C ein. Dementsprechend kann der Abgaskamin 20 zur Ableitung der Abgase aus HT- oder PVDF-Rohr bestehen. Die Erstellung eines gemauerten Abgaskamins wird hierdurch überflüssig.

Ein Temperaturwächter 28 überwacht die Abgastemperatur im Abgaskamin 20 und meldet sie über eine elektrische Leitung an den Prozeßregler 44.

Ein über eine elektrische Leitung 26 aus dem Prozeßregler 44 mit elektrischem Strom versorgter Abgaslüfter 25 (Fig. 1) im Abgaskamin 20 saugt die übrigbleibenden Abgase ab. Zur Erzeugung eines Unterdrucks von < 0,4 mbar muß die Förderleistung des Abgaslüfters 25 größer als die Summe der Förderleistungen des Primärluftgebläses 59 und des Sekundärluftgebläses 69 (Fig. 2) sein.

Ein Abgasströmungswächter 23 (Fig. 1) im Abgaskamin 20 überwacht ständig die Funktion des Abgaslüfters 25 sowie den freien Durchgang der Rauchgase durch Verbrennungsraum 50, Nachverbrennungsraum 60 und Wärmetauscher 30. Über eine Leitung 24 meldet der Abgasströmungswächter 23 dem Prozeßregler 44 eine Abweichung vom Sollwert des Abgasstroms und dadurch jeden gefährlichen Betriebszustand im Feuerungssystem. Daraufhin schaltet der Prozeßregler 44 den Motor 12 des Förderers 13 ab. Hierdurch wird die weitere Zufuhr von Brennstoff 14 aus dem Lagersilo 11 in den Verbrennungsraum 50 beendet. Eine Gesamtabschaltung des Feuerungssystems ist nicht erforderlich.

Wasser hat unter anderem die Eigenschaft, viele Stoffe und chemische Verbindungen in einer Lösung binden zu können. Um dies zu erreichen, müssen die bei einer Verbrennung entstehenden Gase ihre Taupunkte erreichen (Kondensationstemperatur). Ein großer Teil der bekannten Schadstoffe ist dann im Kondensat gebunden und kann von dort aus mit relativ einfachen Mitteln entsorgt werden. Die bei der Verdampfung von Wasser aufzuwendende Arbeit von 540 kcal/kg wird bei der Kondensation wieder frei und der Nutzleistung zugeführt.

Im Bereich des Ausgangs 31 des Wärmetauschers 30, also am Ende des Wärmetauscherregisters 38, liegt die Abgastemperatur nur wenige Grad Celsius über der Rücklauftemperatur von 40 bis 50°C des Heizungswassers. Damit ist gewährleistet, daß die Taupunkte aller Emissionsstoffe mit Sicherheit unterschritten werden. Hierbei gehen die Emissionsstoffe in Lösung über. Sie werden von einem Kondensatsammler 9 aus über eine Verbindungsleitung 70 einem Neutralisationsbehälter 71 zugeleitet.

Im Neutralisationsbehälter 71 kann man, beispielsweise mit CaCO₃, eine gepufferte Lösung mit einem ph-Wert von 6,9 (neutrales Wasser) gewinnen. Diese Lösung entspricht den gesetzlichen Auflagen und kann über einen Ablauf 72 in das Abwasser eingeleitet werden.

HT-Rohre bestehen aus einem gegen hohe Temperaturen (bis etwa 70°C) widerstandsfähigem Kunststoff. "PVDF" ist ebenfalls ein Kunststoff, der bis etwa 160°C belastbar ist.

Claims

1. Verfahren zur schadstoffarmen und wirtschaftlichen Verbrennung fester Brennstoffe, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennung eine Nachverbrennung über einen oder mehrere Züge nachgeordnet ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasstrom im Abgaskamin (20) mittels einer Sonde (Abgasströmungswächter 23) gemessen wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff (14) seine Heizenergie in einer unterstöchiometrischen Verbrennung abgibt und danach eine überstöchiometrische Verbrennung stattfindet.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Entzündung des Brennstoffs (14) mittels eines Lichtbogens erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichung der Solltemperatur des von einem Wärmetauscher (30) aufgeheizten Heizungswassers die Zufuhr von Brennstoff (14) zum Verbrennungsraum (50) unterbrochen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichung eines Höchstdrucks des von einem Wärmetauscher (30) aufgeheizten Heizungswassers die Zufuhr von Brennstoff (14) zum Verbrennungsraum (50) unterbrochen wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit einem Lagersilo und einem Förderer für den Brennstoff, einem Verbrennungsraum und einem mit Öffnungen für die Zuführung von Verbrennungsluft versehenen Feuerrost sowie einem Abgaskamin, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verbrennungsraum (50) ein Nachverbrennungsraum (60) nachgeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verbrennungsraum (50) eine Primärluftzuführung (Primärluftgebläse 59, Drosselklappe 52) und dem Nachverbrennungsraum (60) eine Sekundärluftzuführung (Sekundärluftgebläse 69, Drosselklappe 65) zugeordnet sind, deren Funktion jeweils von einem Prozeßregler (44) in Abhängigkeit vom Abgasstrom im Abgaskamin (20) gesteuert wird.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hochspannungsgerät (27) sowie Zündelektroden (29) für die Entzündung des Brennstoffs (14) vorgesehen sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Nachverbrennungsraum (60) Umlenkbleche (61) zur Umlenkung der Flamme und zum Aufheizen der Sekundärluft aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem Nachverbrennungsraum (60) ein Staubabscheider (67) nachgeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Staubabscheider (67) ein Zyklon ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß im Abgaskamin (20) eine Lamda-Sonde (21) angebracht ist, die elektrisch mit dem Prozeßregler (44) verbunden ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß im Abgaskamin (20) eine Stellklappe (19) vorhanden ist, die von einem Regelgerät (1) betätigt wird, das dem Prozeßregler (44) zugeordnet ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß dem Nachverbrennungsraum (69) ein Wärmetauscher (30) nachgeordnet ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (30) ein Kopfstück aufweist, das so gestaltet ist, daß eine asymmetrische Einleitung der Rauchgase in den Wärmetauscher (30) erfolgt.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (30) mindestens ein Wärmetauscherregister (38) umfaßt, das über Druckwasserleitungen (36, 37) mit einem Wärmespeicher (45) verbunden ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens in einer Druckwasserleitung (36) ein mit dem Prozeßregler (44) elektrisch verbundener Vorlauftemperaturfühler (41) vorgesehen ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens in einer Druckwasserleitung (36) ein mit dem Prozeßregler (44) elektrisch verbundener Druckmelder (47) vorgesehen ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß im Abgaskamin (20) ein mit dem Prozeßregler (44) elektrisch verbundener Temperaturwächter (28) vorgesehen ist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß in den Abgaskamin (20) ein vom Prozeßregler (44) Abgaslüfter (25) eingebaut ist.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß im Abgaskamin (20) ein mit dem Prozeßregler (44) elektrisch verbundener Abgasströmungswächter (23) vorgesehen ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozeßregler (44) den Förderer (13) für den Brennstoff (14) abschaltet, sobald der Abgasströmungswächter (23) dem Prozeßregler (44) eine Abweichung vom Sollwert des Abgasstroms im Abgaskamin (20) meldet.