EP0155607B1 - Feststoffvergasungsheizkessel - Google Patents
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- F23G2201/40—Gasification
Definitions
- the invention relates to a solid gasification boiler according to the preamble of claim 1.
- a generic boiler is known from the prospectus of the Kernutzsstrom Anlagenlich GmbH (distributed at the 1983 Hanover Fair). In this known boiler, the combustion and thus the heat generation of the gases obtained by gasifying different solids takes place essentially outside the boiler. If the materials to be gasified fill up due to their different composition and nature above the grate or if the materials are not gasified continuously, overpressure and pressure fluctuations can occur in the upper part of the boiler, which can lead to deflagrations and explosions.
- a combustion furnace has become known from DE-U-7919 301, in which the passage between a filling shaft and a combustion chamber is equipped with an ignition lock.
- the aim is that no carbonized smoldering gases get into the flue gas chamber and the flue gas flues.
- a smoldering gas duct is additionally provided, which connects the filling space to the underside of the grate, wherein fresh air can be introduced into the smoldering gas duct.
- an incinerator there is no risk of deflagration, since the solid area in the grate area is as complete and open as possible.
- a gas generator is known from US Pat. No. 4,306,506, in which the gas drawn off from the furnace is fed to a combustion system via a cleaner and cooler.
- an air supply is provided, to which a line leading into the upper part of the filling shaft connects, through which gases from the upper part of the filling shaft can be returned to the oxidation zone. This is to achieve a return of air and gases accumulating in the upper part of the filling space into the reactor system.
- a connection between the oxidation zone and the reduction zone is not provided here.
- the invention has for its object to improve the generic solid gasification heating boiler so that it ensures that regardless of the fuel loaded that deflagrations and explosions are switched off, which leads to a high heat yield and with which heat can be generated directly.
- the gases present there are enriched in oxygen without the latter being combusted. Due to the existing pressure difference between the filling shaft and the combustion chamber and due to the connection of the filling shaft with the combustion chamber via the pressure compensation tube, these oxygen-enriched gases are sucked directly into the combustion chamber and burned here. This results in complete combustion of the gases in the combustion chamber already in the upper region thereof, essentially immediately below the grate.
- coal, peat and other combustible materials can be processed and waste or other residues can be burned at the same time.
- These different fuels can be gasified and burned at the same time and can be filled into the furnace unsorted.
- the fuel gas obtained is of high combustion quality and, depending on the gasified substances, has no or only a small proportion of oils or tars in the exhaust gases.
- the gasification of the different fuels and the subsequent burning of the resulting gas burns out the materials up to 99%. As a result, a particularly high level of energy generation is achieved.
- ash is produced to an exceptionally small extent, which is an unmelted, sterile ash in a floury state.
- the ashes can immediately be fed from the furnace to a corresponding collection container. Due to the short-circuit connection between the filling shaft and the combustion chamber, pressure equalization is automatically achieved in the event of excess pressures in the filling shaft, which prevents deflagration and explosions of the boiler.
- Fig. 1 denotes a filling shaft of a solid gasification boiler.
- a rotary valve or a double piston filler can be provided here.
- a reaction or gasification chamber 2 At the bottom of this filling shaft is a reaction or gasification chamber 2, which is delimited at the bottom by a grate 3, which is shown in the drawing as a swivel grate.
- a combustion chamber 4 is arranged below the swiveling grate 3 and is delimited at the bottom by an ash extraction 5.
- a vibrating grate can also be used, which is driven by a vibrating motor drive.
- a flame tube 6 ' is provided, the gas inlet 7 of which is arranged eccentrically to the combustion chamber 4, so that the combustion gases escaping downward through the swiveling grate 3 are forced to enter the flame tube eccentrically, while doing so at one inside a pipe socket 8 arranged support burner 9 must flow past, which is intended to ignite the gases to be burned in the flame tube 6.
- the pipe socket 8 is closed to the outside by an explosion flap 10 with a draft limiter.
- a blower which opens via air lines 12 into the lower region of the combustion chamber 4, leads into the swivel grate 3 via a further air line 14 and opens into the upper region of the reaction chamber 2 via a third air line 15, namely below the filling shaft , and in these three areas for the supply of oxygen-rich fresh air.
- a pressure compensation tube is shown, which leads from the filling shaft into the reaction chamber 2 and via a bypass line 16a into the combustion chamber 4.
- An ignition burner 17 which is also arranged in a corresponding pipe socket 18, opens into the reaction chamber 2 above the swivel grate 3.
- the swiveling grate 3 has a width which is greater than the clear width of the reaction space 2.
- the swivel grate extends over the entire length of the boiler and has in the areas in which it lies below the projecting wall parts 19 and 20 of the reaction space 2, on the swivel grate plane upward protrusions 21, which prevent ungased fuel from the reaction chamber 2 can get into the combustion chamber 4.
- the wall of the solid gasification boiler can accommodate a heat exchanger 22, for example the heat exchanger of a hot water heater.
- the solid gasification boiler described above works in the combustion chamber 4 and in the flame tube 6 with a vacuum which extends to the filling shaft 1.
- the negative pressure in the filling shaft 1 and in the reaction chamber 2 decreases and can reach zero, depending on how the pressure control system is set.
- the natural chimney draft or a built-in flue gas fan ensures the negative pressure in the solid gasification boiler. This negative pressure is guaranteed when the boiler is started up by a pressure control system, so that no excess pressure can arise due to excess gas production.
- the pressure control system controls the air supply to the boiler. If there is a large amount of gas in the reaction chamber 2 and in the filling shaft 1, as a result of which the vacuum would decrease, the air supply is immediately reduced or completely closed. This can be done using a separate control system or by appropriately controlling the blower 11.
- the pressure compensation tube 16 leading from the filling shaft 1 into the reaction chamber 2 or into the combustion chamber 4 can be arranged inside or outside the boiler and ensures a constant pressure inside the boiler.
- a heat exchanger can also be connected to the flame tube 6, so that the burnt-out gases in the flame tube 6, which can have a temperature between 500 and 800 ° C, can be cooled in the heat exchanger and then with a low exhaust gas temperature of about 100 ° Chimney can be removed.
- the flame tube 6 itself is made of a heat-resistant material, for example stainless steel or a quartz melt, this material becoming emergency glowing and thus ensuring better combustion in the flame tube 6 and in the combustion chamber 4.
- the shape of the flame tube 6 is irrelevant.
- the arrangement of an explosion valve 10 with draft limiter has the task that in the event of deflagrations within the boiler, these can be compensated for immediately.
- the draft limiter closes as soon as the blower 11 is in operation. If the blower 11 turns off or the air supply is completely or partially closed, the draft limiter 10 comes into operation and regulates the draft in the combustion tube, so that the solid gasification boiler in the reaction chamber 2 and in the combustion chamber 4 does not cool down.
- the swivel grate 3 is driven with a thrust safety device, which has the task of absorbing the force of the motor when materials in the reaction space 2 jam or tilt, so that the swivel grate 3 cannot move freely.
- the fuel materials prepared in this way are filled into the filling shaft 1 Swing grate 3 ignited and heated up to 1 000 ° C, whereby the gasification arises and a fuel gas develops, which is of high fuel gas quality and, depending on the residues burned, has little or no oil and tars.
- This fuel gas is sucked down by a negative pressure in the lower combustion chamber 4, ignited via the pilot burner 17 and then burned further in the combustion chamber 4 and in the flame tube 6.
- the burned-out exhaust gases have a temperature between 500 and 800 ° C and can then be passed through a heat exchanger to obtain the residual energy and removed through the chimney, with an exhaust gas temperature in the chimney of approximately 100 ° C then.
- the solids can also be mixed with flammable liquids, with z. B. the problem-free burning of waste oil is possible.
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Description
- Die Erfindung bezieht sich auf einen Feststoffvergasungsheizkessel gemäß der Oberbegriff des Patentanspruches 1.
- Ein gattungsbildender Kessel ist aus dem Prospekt der Kernforschungsanlage Jülich GmbH (verteilt auf der Hannover-Messe 1983) bekannt. Bei diesem bekannten Kessel erfolgt die Verbrennung und damit die Wärmegewinnung der durch die Vergasung von unterschiedlichen Feststoffen gewonnenen Gase im wesentlichen außerhalb des Kessels. Verdichten sich die eingefüllten, zu vergasenden Materialien aufgrund ihrer unterschiedlichen Zusammensetzung und Beschaffenheit oberhalb des Rostes oder kommt es zu einer unkontinuierlichen Vergasung der Materialien, kann im oberen Teil des Kessels ein Überdruck und dadurch Druckschwankungen entstehen, was zu Verpuffungen und Explosionen führen kann.
- Aus dem DE-U-7919 301 ist ein Verbrennungsofen bekanntgeworden, bei welchem der Durchlaß zwischen einem Füllschacht und einer Brennkammer mit einer Zündschleuse ausgerüstet ist. Bei dieser bekannten Anordnung wird angestrebt, daß keine unverbrannten Materialien enthaltenden Schwelgase in die Rauchgaskammer und die Rauchgaszüge gelangen. Bei dieser bekannten Anordnung wird zusätzlich ein Schwelgaskanal vorgesehen, der den Füllraum mit der Unterseite des Rostes verbindet, wobei in den Schwelgaskanal Firschluft eingeführt werden kann. Bei einem solchen Verbrennungsofen sind keine Verpuffungen zu befürchten, da im Rostbereich eine möglichst vollständige und offene Verbrennung der Feststoffe erfolgt.
- Aus der US-A-4 306 506 ist ein Gaserzeuger bekannt, bei welchem das aus dem Ofen abgezogene Gas über einen Reiniger und Kühler einer Verbrennung zugeführt wird. In der Oxydationszone des Gaserzeugers ist dabei eine Luftzuführung vorgesehen, an die eine im oberen Teil des Füllschachtes mündende Leitung anschließt, durch die aus dem oberen Teil des Füllschachtes Gase in die Oxydationszone zuruckgeführt werden können. Hierdurch soll eine Rückführung von sich im oberen Teil des Füllraumes ansammelnder Luft und Gase in das Reaktorsystem erreicht werden. Eine Verbindung zwischen der Oxydationszone und der Reduktionszone ist hier nicht vorgesehen.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsbildenden Feststoffvergasungsheizkessel so zu verbessern, daß er unabhängig vom eingefüllten Brennmaterial sicherstellt, daß Verpuffungen und Explosionen ausgeschaltet sind, der zu einer hohen Wärmeausbeute führt und mit dem unmittelbar Wärme erzeugt werden kann.
- Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
- Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen erläutert.
- So erfolgt durch die Zuführung von Frischluft in den oberen Bereich des Reaktionsraumes eine Sauerstoffanreicherung der dort vorhandenen Gase, ohne daß eine Verbrennung derselben erfolgen kann. Aufgrund des bestehenden Druckunterschiedes zwischen dem Füllschacht und der Brennkammer und aufgrund der verbindung des Füllschachtes mit der Brennkammer über das Druckausgleichsrohr werden diese sauerstoffangereicherten Gase unmittelbar in die Brennkammer gesaugt und hier verbrannt. Hierdurch erfolgt eine vollständige Verbrennung der Gase in der Brennkammer bereits im oberen Bereich derselben im wesentlichen unmittelbar unterhalb des Rostes.
- Mit dem erfindungsgemäßen Feststoffvergasungsheizkessel können Kohle, Torf und sonstige brennbare Stoffe verarbeitet werden und gleichzeitig Müll oder sonstige Reststoffe verbrannt werden. Diese unterschliedlichen Heizstoffe können gleichzeitig vergast und verbrannt werden und können unsortiert in den Ofen eingefüllt werden. Das gewonnene Brenngas ist von hoher Brennqualität und hat je nach vergasten Stoffen keinen oder nur einen geringen Anteil von Ölen oder Teeren in den Abgasen. Durch die Vergasung der unterschiedlichen Brennstoffe und das darauf folgende Verbrennen des entstandenen Gases erfolgt ein Ausbrand der Werkstoffe bis zu 99 %. Hierdurch wird eine besonders hohe Energiegewinnung erreicht. Außerdem fällt nur in außergewöhnlich geringem Maße Asche an, wobei es sich um eine ungeschmolzene sterile Asche in mehligem Zustand handelt. Die Asche kann aus dem Ofen sofort einem entsprechenden Sammelbehälter zugeführt werden. Durch die kurszchlußverbindung zwischen Füllschacht und Brennkammer wird bei entstehenden Überdrücken im Füllschacht automatisch ein Druckausgleich erreicht, der Verpuffungen und Explosionen des Kessels verhindert.
- Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen zeigen dabei in
- Figur 1 schematisch einen Feststoffvergasungsheizkessel, in
- Figur 2 eine Schnittzeichnung durch einen Kessel und in
- Figur 3 eine Schnittzeichnung in Längsachse des Flammrohres gesehen.
- In Fig. 1 ist mit 1 ein Füllschacht eines Feststoffvergasungsheizkessels bezeichnet. Hier kann eine Zellenradschleuse oder ein Doppelkolbenfüller vorgesehen werden. An diesen Füllschacht schließt sich nach unten ein Reaktions- bzw. Vergasungsraum 2 an, der durch einen Rost 3 nach unten hin begrenzt ist, der in der Zeichnung als Schwenkrost dargestellt ist. Unterhalb des Schwenkrostes 3 ist eine Brennkammer 4 angeordnet, die nach unten hin durch einen Ascheabzug 5 abgegrenzt ist. Anstelle des Schwenkrostes 3 kann auch ein Schwingrost eingesetzt werden, der durch einen Schwingmotorantrieb angetrieben wird.
- Innerhalb der Brennkammer 4 ist ein Flammrohr 6 'vorgesehen, dessen Gaseintritt 7 außermittig zur Brennkammer 4 angeordnet ist, so daß die durch den Schwenkrost 3 nach unten hin austretenden Brenngase gezwungen sind, außermittig in das Flammrohr einzutreten, wobei sie dabei an einem innerhalb eines Rohrstutzens 8 angeordneten Stützbrenner 9 vorbeifließen müssen, der zur Zündung der im Flammrohr 6 zu verbrennenden Gase bestimmt ist.
- Der Rohrstutzen 8 wird nach außen hin durch eine Explosionsklappe 10 mit Zugbegrenzer abgeschlossen.
- Bei 11 ist ein Gebläse dargestellt, das über Luftleitungen 12 in den unteren Bereich der brennkammer 4 mündet, über eine weitere Luftleitung 14 in den Schwenkrost 3 führt und über eine dritte Luftleitung 15 in den oberen Bereich des Reaktonsraumes 2 mündet, und zwar unterhalb des Füllschachtes, und an diesen drei Bereichen zur Zuführung von sauerstoffreicher Frischluft sorgt.
- Bei 16 ist ein Druckausgleichsrohr dargestellt, das aus dem Füllschacht bis in den Reaktionsraum 2 führt und über eine By-passleitung 16a in die Brennkammer4.
- Oberhalb des Schwenkrostes 3 mündet in den Reaktionsraum 2 ein Zündbrenner 17, der ebenfalls in einem entsprechenden Rohrstutzen 18 angeordnet ist.
- Aus der Darstellung in Fig. 3 ist erkennbar, daß der Schwenkrost 3 eine Breite aufweist, die größer als die lichte Breite des Reaktionsraumes 2 ist. Hierbei reicht der Schwenkrost über die ganze Länge des Heizkessels und besitzt in den Bereichen, in dem er unterhalb der vorkragenden Wandteile 19 und 20 des Reationsraumes 2 liegt, über die Schwenkrostebene nach oben vorstehende Aufkantungen 21 auf, die verhindern, daß unvergastes Brenngut aus der Reaktionskammer 2 in den Brennraum 4 gelangen kann.
- Die Wandung des Feststoffvergasungsheizkessels kann einen Wärmetauscher 22 aufnehmen, beispielsweise den Wärmetauscher einer Warmwasserheizung.
- Der vorbeschriebene Feststoffvergasungsheizkessel arbeitet in der Brennkammer 4 und im Flammrohr 6 mit einem Unterdruck, der bis zum Füllschacht 1 reicht. Je nach der Art der vergasten Feststoff und je nach Gasentwicklung nimmt der Unterdruck im Füllschacht 1 und im Reaktionsraum 2 ab und kann bis zum Nullpunkt kommen, je nachdem wie die Druckregelanlage eingestellt ist.
- Der natürliche Kaminzug oder ein eingebauter, in der Zeichnung nicht dargestellter Rauchgasventilator sorgen für den Unterdruck im Feststoffvergasungsheizkessel. Dieser Unterdruck wird bei Inbetriebnahme des Kessels durch eine Druckregelanlage gewährleistet, so daß kein Überdruck durch zuviel produziertes Gas entstehen kann. Die Druckregelanlage steuert die Luftzufuhr zum Heizkessel. Entsteht ein größerer Gasanfall im Reaktionsraum 2 und im Füllschacht 1, wodurch der Unterdruck abnehmen würde, wird die Luftzufuhr sofort gemindert oder ganz geschlossen. Dies kann über eine gesonderte Regelanlage erfolgen oder durch entsprechende Steuerung des Gebläses 11.
- Das vom Füllschacht 1 in den Reaktionsraum 2 bzw. in die Brennkammer 4 führende Druckausgleichsrohr 16 kann innerhalb oder außerhalb des Kessels angeordnet sein und sorgt für einen stets gleichbleibenden Druck innerhalb des Kessels.
- Das Flammrohr 6, wie bereits vorbeschrieben, so angeordnet, daß der Gaseintritt 7 bewirkt, daß die nach unten durch den Schwenkrost 3 austretenden Gase einen weiteren Weg zum Auslaß durchlaufen müssen und somit an dem Stützbrenner 9 vorbeigeführt werden. Hierdurch werden die Gase im Brennraum 4 verbrannt und im Flammrohr 6 restlos ausgebrannt.
- An das Flammrohr 6 kann sich zusätzlich ein Wärmetauscher anschließen, so daß die im Flammrohr 6 ausgebrannten Gase, die eine Temperatur zwischen 500 und 800 °C aufweisen können, im Wärmetauscher gekühlt werden können und dann mit einer niedrigen Abgastemperatur von ca. 100° durch den Kamin abgeführt werden.
- Das Flammrohr 6 selbst ist aus einem hitzebeständigen Werkstoff, beispielsweise Edelstahl oder einer Quarzschmelze, wobei dieser Werkstoff notglühend wird und somit für eine bessere Verbrennung im Flammrohr 6 und in der Brennkammer 4 sorgt. Die Form des Flammrohres 6 ist unerheblich. Die Anordnung einer Explosionsklappe 10 mit Zugbegrenzer hat die Aufgabe, daß bei Verpuffungen innerhalb des Kessels, diese sofort ausgeglichen werden können. Der Zugbegrenzer schließt sich, sobald das Gebläse 11 in Betrieb ist. Wenn sich das Gebläse 11 ausstellt oder die Luftzufuhr ganz oder teilweise geschlossen ist, tritt der Zugbegrenzer 10 in Betrieb und regelt den Luftzug im Brennrohr, so daß der Feststoffvergasungsheizkessel im Reaktionsraum 2 und in der Brennkammer 4 nicht auskühlt.
- Der Antrieb des Schwenkrostes 3 erfolgt mit einer Schubsicherung, die die Aufgabe hat, die Kraft des Motors aufzufangen, wenn Materialien im Reaktionsraum 2 sich verklemmen oder verkanten, so daß sich der Schwenkrost 3 nicht frei bewegen kann.
- Der Betrieb des Feststoffvergasungsheizkessels ist wie folgt :
- Der Feststoffvergasungsheizkessel kann mit Reststoffen aller Art, wie Holz, Papier, Gummi, Leder. Kunststoffe usw., aber auch mit Steinkohle, Braunkohle und Torf betrieben werden. Der Einfüllung der Brenmaterialien in den Füllschacht 1 ist vorzugsweise eine Zerkleinerungsvorrichtung vorgeschaltet, beispielsweise ein Rotationsschneidbrecher.
- Die Einfüllung der so vorbereiteten Brennmaterialien erfolgt in den Füllschacht 1. Im Reaktionsraum 2 werden diese Stoffe über den Schwenkrost 3 gezündet und bis zu 1 000 °C beheizt, wodurch die Vergasung entsteht und sich ein Brenngas entwickelt, welches von hoher Brenngasqualität ist und je nach verbrannten reststoffen kein oder nur kaum Anfall von Ölen und Teeren hat. Dieses Brenngas wird durch einen Unterdruck in der unteren Brennkammer 4 nach unten gesaugt, über den Zündbrenner 17 gezündet und dann in der Brennkammer 4 und im Flammrohr 6 weiter verbrannt.
- Die ausgebrannten Abgase weisen eine Temperatur zwischen 500 und 800 °C auf und können dann durch einen Wärmetauscher zur Gewinnung der Restenergie geführt und durch den Kamin abgeführt werden, wobei dann eine Abgastemperatur im Kamin von etwa 100°C herrscht.
- Grundsätzlich sei darauf hingewiesen, daß die Feststoffe auch mit brennbaren Flüssigkeiten versetzt werden können, wobei mit den erfindungsgemäßen Kesseln z. B. das problemlose Verbrennen von Altöl möglich ist.
Claims (3)
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Publications (2)
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