EP2674673A2

EP2674673A2 - Lastabhängig betriebene Vorrichtung zur Verbrennung fester biogener Brennstoffe und Verfahren zu deren Betrieb

Info

Publication number: EP2674673A2
Application number: EP13171352.1A
Authority: EP
Inventors: Thomas Knapp; Tobias Seufert; Hans-Joachim Dr.-Ing. Gehrmann; Andreas Gerig; Andreas Prof. Wagner; Helmut Prof. Dr. Seifert
Original assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2012-06-13
Filing date: 2013-06-11
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2033-06-11
Also published as: EP2674673A3; EP2674673B1; DE102012105099A1; DE102012105099B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) und ein Verfahren zur Verbrennung fester, biogener Brennstoffe in einer ersten Brennstufe (2) mit einer ersten Zuführeinrichtung (4) des Brennstoffs in ein Brenngutbett (7), einer Primärluftzufuhreinrichtung (8), einer Zündeinrichtung zur Entzündung des Brennstoffs im Brenngutbett (7), einem über dem Brenngutbett (7) vorgesehenen Brennraum (11) sowie einem in einem Wärmestrom des verbrannten Brennguts angeordneten Wärmetauscher (13) mit zumindest einem nachgeschalteten Wärmespeicher. Um eine Verbesserung der Dynamik, einer effizienten Nutzung des Brennstoffs und eines Schadstoffausstoßes zu erzielen, ist die erste Brennstufe (2) als eine Wärmegrundlast kompensierende Brennstufe ausgebildet und eine zweite, Wärmebedarfsspitzen abdeckende Brennstufe (3) mit einer zweiten, im Brennraum (11) selbstentzündlichen Brennstoff eintragenden Zuführeinrichtung (10) vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verbrennung fester, biogener Brennstoffe in einer ersten Brennstufe mit einer ersten Zuführeinrichtung des Brennstoffs in ein Brenngutbett, einer Primärluftzufuhreinrichtung, einer Zündeinrichtung zur Entzündung des Brennstoffs im Brenngutbett, einem über dem Brenngutbett vorgesehenen Brennraum sowie einem in einem Wärmestrom des verbrannten Brennguts angeordneten Wärmetauscher mit zumindest einem nachgeschalteten Wärmespeicher.
Gattungsgemäße Vorrichtungen sind beispielsweise als Brennkessel zur Verbrennung von Holzpellets, Hackschnitzeln und dergleichen bekannt. Derartige Brennkessel werden betrieben, indem der gestückelte Brennstoff auf ein Brenngutbett dosiert und dort gezündet und verbrannt wird. Ein in dem sich oben anschließenden Brennraum angeordneter, beispielsweise mit Wasser befüllter Wärmetauscher wird dabei erwärmt und gibt das erhitzte Wasser an einen oder mehrere Wärmespeicher ab, aus dem beispielsweise eine Heizung oder eine Brauchwasserleitung gegebenenfalls über weitere Wärmetauscher gespeist wird. Die Zuführung des Brennguts erfolgt mittels Zuführeinrichtung nach dem Quereinschub-, Unterschub- oder Abwurfverfahren auf ein Brenngutbett, beispielsweise einen Rost, eine Schale oder einen Tunnel. Beispielsweise ist aus der deutschen Patentschrift Nr. 666 007 eine Rostfeuerung mit einer einzigen Zuführeinrichtung bekannt, bei der ein Teil des Brennguts zerkleinert wird und über dem Brennbett verbrannt wird. Eine getrennte Steuerung des auf den Rost dosierten und über dem Rost verbrannten Brennguts ist nicht vorgesehen. Zur Verbrennung von Holzabfällen in Form von Holzspänen, Sägemehl und stückigen Holzteilen werden in der DE 32 26 877 A1 die Holzabfälle gemeinsam einer Unterschubfeuerung zugeführt. Hierbei werden die stückigen Holzteile über eine Handbefüllöffnung zugeführt und die kleinteiligen Holzabfälle vorverdichtet zugeführt. Durch die Vorverdichtung ist kein dynamischer, schnell ablaufender Brennvorgang möglich. Aus der DE 10 2008 056 019 A1 ist eine Beschickungsvorrichtung für einen Ofen bekannt, bei dem Stückholz vor der Zuführung in den Ofen über einen Fallschacht einer Zerkleinerungseinrichtung zugeführt wird. Die Zuführung erfolgt mittels einer einzigen Zuführungseinrichtung. Aus der EP 1 162 405 A2 ist eine Vorrichtung zur Verbrennung von Holzpellets bekannt, die vor der Zufuhr mittels einer Zuführeinrichtung in einen Brennraum mittels einer Mühle gemahlen und der Verbrennungsluft beigemengt werden.
Nach einer Zündung einer mit biogenen Feststoffen betriebenen Vorrichtung zur Erwärmung von Wasser für den Heiz- und Brauchwasserbetrieb entstehen große An- und Abbrandzeiten, so dass diese insbesondere bei schnellem Warmwasserbedarf unzureichend schnell reagieren und bei zyklischem Betrieb aufgrund der hohen Schadstoffbelastung im Anbrandbetrieb umweltrelevant und infolge von Regelschwingungen insbesondere bei mehreren hintereinander geschalteten Brennstoffkesseln schwer zu regeln sind.
Aufgabe der Erfindung ist daher, eine Vorrichtung vorzuschlagen, die weniger Schadstoffe produziert und in verbesserter Weise an einen zeitlich variierenden Wärmebedarf anpassbar ist.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Vorrichtung des Anspruchs 1 und des Verfahrens des Anspruchs 7 gelöst. Die auf diese zurückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen.
In einer betreffenden Vorrichtung zur Verbrennung fester, biogener Brennstoffe in einer ersten Brennstufe mit einer ersten Zuführeinrichtung des Brennstoffs in ein Brenngutbett, einer Primärluftzufuhreinrichtung, einer Zündeinrichtung zur Entzündung des Brennstoffs im Brenngutbett, einem über dem Brenngutbett vorgesehenen Brennraum sowie einem in einem Wärmestrom des verbrannten Brennguts angeordneten Wärmetauscher mit zumindest einem nachgeschalteten Wärmespeicher ist hierzu die erste Brennstufe als eine Wärmegrundlast kompensierende Brennstufe ausgebildet und eine zweite, Wärmebedarfsspitzen abdeckende Brennstufe mit einer zweiten, im Brennraum selbstentzündlichen Brennstoff eintragenden Zuführeinrichtung vorgesehen.
Die Vorrichtung ist als Brennstoffkessel zur Verbrennung von gestückelten Holzteilen, Holzspänen, Rindenteilen und dergleichen, insbesondere Holzpellets vorgesehen. Ein derartiger Brennkessel wird bevorzugt für kleine Gebäude wie Ein- oder Mehrfamilienhäuser, kleine Gewerbe- und Bürogebäude und dergleichen ausgelegt. Die erste Zuführeinrichtung der ersten Brennstufe kann hierbei als Unterschub-, Querschubbeschickung oder Abwurfeinrichtung vorgesehen sein. Der Transport des Brennstoffs von einem Vorratsbehälter zum Brennkessel kann beispielsweise mittels einer Förderschnecke erfolgen. Der Betrieb der Vorrichtung wie Brennkessel erfolgt lastgesteuert zweigeteilt. Hierbei wird eine Wärmegrundlast durch Befeuerung des Brennkessels mittels von der ersten Zuführeinrichtung entsprechend der Wärmegrundlast dosiert zugeführtem stückeligem Brennstoff wie Holzpellets abgedeckt. Die Zündung des in das Brenngutbett zugeführten Brennstoffs erfolgt mittels einer Zündeinrichtung, beispielbeispielsweise einer elektrischen Glühspirale, eines Brandförderers wie beispielsweise eines Anzünders oder dergleichen. Es hat sich dabei als vorteilhaft erwiesen, die Primärluftzufuhr so zu erwärmen, dass ein derartiger Zündvorgang erleichtert oder ohne weitere Hilfsmittel eingeleitet wird, indem die Flammtemperatur des Brennstoffs überschritten wird. Die Primärluft kann beispielsweise durch eine elektrische Heizspirale erwärmt werden. Diese ist wegen ihrer geschützten Unterbringung weniger störanfällig als eine im Brenngutbett platzierte Glühspirale.
Unter Wärmegrundlast ist ein Wärmebedarf, beispielsweise in Form eines auf einer vorgegebenen beziehungsweise vorgebbaren Temperatur gehaltenen Pufferspeichers und/oder Wärmekreislaufs zu verstehen, der im Wesentlichen dauerhaft, beispielsweise in einer Heizperiode in Form eines Heizkreislaufs anfällt. Wird diese Wärmegrundlast angefordert, kann der Brennvorgang nach einem Anbrand in der Regel über längere Zeit aufrecht erhalten werden, so dass Anbrandphasen mit vergleichsweise höherer Schadstoffbelastung minimiert werden können. Weiterhin werden zyklische An- und Abschaltvorgänge mit damit verbundenen langen Aufheiz- und Abwärmzeiten vermieden, die einerseits zu langen und unkomfortablen Reaktionszeiten des Brennkessels mit schwer zu kontrollierbarem Regelverlauf mit Regelschwingungsneigung und andererseits zu unökonomischer Nutzung des Brennstoffs führen.
Die Abdeckung von Wärmebedarfsspitzen, wie sie beispielsweise bei Bereitung von warmem Brauchwasser und dergleichen entstehen, erfolgt durch Aktivierung der zweiten Brennstufe. Der von der zweiten Zuführeinrichtung entsprechend fein verteilt aufbereitete Brennstoff wird im Gegensatz zu dem im Brenngutbett abbrennenden Brennstoff in den Brennraum über dem Brenngutbett eingebracht und zündet in bevorzugter Weise infolge der in dieser vorherrschenden Umgebung instantan. Bei abgeschalteter erster Brennstufe kann eine zusätzliche Zündeinrichtung für den Brennstoff der zweiten Brennstufe vorgesehen sein. Dabei werden die Bedingungen des Brennstoffeintrags so gewählt, dass ein Kontakt mit Wänden des Brennraums in bevorzugter Weise vermieden und eine gleichmäßige Feinverteilung über den Brennraum erzielt wird. Infolge der hohen Oberfläche des Brennstoffs stellt der Brennstoff seinen Energieinhalt schnell und mit großer Dynamik zur Verfügung, so dass schnelle Aufheizraten des Wärmetauschers erzielt werden. Bei entsprechender Auslegung der Brenngeometrie im Brennraum mit entsprechender Anordnung des Wärmetauschers im Brennfeld der zweiten Brennstufe können Aufheizeigenschaften im Sinne eines Durchlauferhitzers erzielt werden.
Der Brennstoff der zweiten Brennstufe kann ein flüssiger oder gasförmiger fossiler Brennstoff, beispielsweise Erdgas oder Heizöl sein, die über entsprechende Dosierventile und Düsen in den Brennraum dosiert eingetragen und in diesem verteilt werden. In besonders vorteilhafter Weise ist der Brennstoff der zweiten Brennstufe zerkleinerter fester biogener Brennstoff. Bevorzugt wird hierzu derselbe Brennstoff der ersten Brennstufe nach entsprechender Zerkleinerung vorgesehen und aus dem Vorratsbehälter gemeinsam oder separat an die Vorrichtung herangeführt. Die Zerkleinerung erfolgt mittels einer Zerkleinerungsvorrichtung, die in die Vorrichtung außerhalb des Brennraums integriert ist und beispielsweise ein Mahlwerk sein kann. Die Dosierung des gemahlenen Brennstoffs in den Brennraum erfolgt beispielsweise mittels einer schnell drehenden Schnecke, die beispielsweise von einem abhängig von der Wärmebedarfsspitze drehzahlgeregelten Elektromotor angetrieben wird.
Es hat sich insbesondere aus Gründen der Schadstoffbegrenzung als vorteilhaft erwiesen, wenn dem Brennraum mit einer Primärluftzuführeinrichtung beispielsweise über den Rost des Brenngutbetts oder dergleichen eine Nachbrennkammer mit einer Sekundärluftzuführeinrichtung nachgeschaltet ist. Durch die Luftzufuhr von Sekundärluft in die Nachbrennkammer wird der Schadstoffgehalt, beispielsweise Kohlenmonoxid und nachverbrennbare organische Verbindungen gesenkt. Die Sekundärluftzufuhr wird bevorzugt unabhängig von der Primärluftzufuhr und abhängig von der Schadstoffbelastung geregelt. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Sekundärluft senkrecht zur Strömungsrichtung des Abgasstroms durch die Nachbrennkammer in diese eingebracht wird.
In einem Verfahren zum Betrieb der vorgeschlagenen Vorrichtung erfolgt eine Verbrennung des in der ersten Brennstufe auf das Brenngutbett dosierten Brennstoffs abhängig von zumindest einer die Wärmegrundlast reproduzierenden Größe und die Dosierung des in der zweiten Brennstufe über die zweite Zuführeinrichtung dosierten Brennstoffs abhängig von zumindest einer eine Wärmelastspitze reproduzierenden Größe. In vorteilhafter Weise kann zur Beschleunigung eines Aufheizvorgangs des Wärmetauschers die zweite Brennstufe während eines Anbrands des Brennstoffs der ersten Zuführeinrichtung betrieben werden. Weiterhin kann während eines Dauerbetriebs der ersten Brennstufe beispielsweise während eines Heizbetriebs tagsüber oder ganztägig die zweite Brennstufe bei zusätzlichem Wärmebedarf zugeschaltet werden. Alternativ kann bei stillgesetzter erster Brennstufe beispielsweise in einem Sommerbetrieb der Vorrichtung die zweite Brennstufe als ausschließliche Brennstufe der Vorrichtung gegebenenfalls mit weiteren Energiequellen, beispielsweise einer Solartherme zur Bereitung von warmem Brauchwasser betrieben werden.
Um eine besonders schnelle Erwärmung von Brauchwasser zu erzielen, kann während des Betriebs der zweiten Zuführeinrichtung vorerwärmtes Wasser des zumindest einen Wärmespeichers in den Wärmetauscher eingebracht werden.
Die Erfindung wird anhand der in den Figuren 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1: ein Diagramm eines Brennbetriebs einer Vorrichtung mit lediglich einer Brennstufe,
Figur 2: eine Vorrichtung zur Verbrennung von festen biogenen Brennstoffen mit zwei Brennstufen,
Figur 3: ein Diagramm eines Brennbetriebs der Vorrichtung der Figur 2 mit über dem Brenngutbett erfassten Messwerten,
Figur 4: ein Diagramm eines Brennbetriebs der Vorrichtung der Figur 2 mit hinter einer Nachbrennkammer ermittelten Messwerten
und Figur 5: ein Diagramm eines Brennbetriebs der Vorrichtung der Figur 2 mit gegenüber der Figur 4 veränderten Zufuhrbedingen von Primär- und Sekundärluft.

Aus dem Diagramm 100 der Figur 1, das dem Beitrag "Einfluss von Kaltstart und Teillast auf die Schadstoffemissionen von Stückholz- und Pelletheizungen" von J. Good, 11. Holzenergie-Symposion ETH Zürich, 2010 entnommen ist, geht das Verhalten einer Vorrichtung in Form eines Brennkessels zur Verbrennung von Holzpellets hervor. In den Teildiagrammen I und III ist jeweils das Verbrennungsluftverhältnis λ und in den Teildiagrammen II und IV die Schadstoffbelastung in Form von Kohlenstoffmonoxid-Konzentrationen [CO] gegen jeweils gleiche Zeitskalen mit der Zeit t gezeigt. Die Teildiagramme III, IV zeigen dabei eine zyklisch betriebene Vorrichtung die in vorgegebenen Zeitabständen je nach Wärmebedarf, beispielsweise im Stundenrhythmus gestartet und wieder abgestellt wird. Infolge der sich über einen großen Zeitanteil erstreckenden, jeweils ein großes Zeitintervall Δt beanspruchenden Anbrand- und Abbrandphasen ist der gesamte Schadstoffausstoß der Vorrichtung hoch.
Aus den Teildiagrammen I und II geht das Verhalten einer kontinuierlich betriebenen Vorrichtung hervor, bei der sich nach dem Ende des ersten Anbrands bis zum Abbrand ein im Wesentlichen konstantes Verbrennungsluftverhältnis mit geringen Schadstoffbelastungen einstellt.
Figur 2 zeigt eine schematisch dargestellte Vorrichtung 1, beispielsweise in Form eines Brennkessels für Holzpellets mit zwei Brennstufen 2, 3. Die Brennstufe 2 ist eine konventionell zur Abdeckung einer Grundlast eines Wärmebedarfs kontinuierlich betriebene Brennstelle für nicht zerkleinerte Holzpellets. Diese werden mittels der ersten Zuführeinrichtung 4 von dem Vorratsbehälter 5 wie dargestellt mittels eines Aufwurfverfahrens auf das Brenngutbett 7 mit dem Rost 6, der zur Entsorgung der Asche schwenkgelagert sein kann, dosiert. Die Brennstufe 2 wird während eines Wärmebedarfs permanent mit vorgegebener Leistung, beispielsweise in einem Einfamilienhaus mit 8 kW betrieben. Die Regelung der Brennstufe 2 zur Einstellung dieser Leistung kann aufgrund von erfassbaren Leistungsparametern, beispielsweise einer Brenngutwaage im Brenngutbett 7 oder beispielsweise einer Messung des Massenstromes in der Zuführeinrichtung 4 erfolgen, der Primärluftzufuhreinrichtung 8, beispielsweise dem Gebläse 9 erfolgen. Die Leistung wird mittels erfassbarer Leistungsdaten, beispielsweise dem gemittelten Wärmeverbrauch, der Außentemperatur einer Heizanlage und dergleichen erfolgen. Die Brennstufe 2 wird mittels einer Entzündung des auf dem Brenngutbett 7 befindlichen Brennguts in Betrieb genommen, indem beispielsweise durch die Heizeinrichtung 17 erwärmte Luft zugeführt wird.
Die Brennstufe 3 dosiert den Brennstoff mittels der Zuführeinrichtung 10 direkt in den Brennraum 11. Der Zuführeinrichtung 10 ist eine Zerkleinerungsvorrichtung 12 vorgeschaltet, welches Holzpellets aus dem Vorratsbehälter 5 fein vermahlt. Beispielsweise mittels einer schnell drehenden, von einem Elektromotor angetriebenen und bezüglich ihrer Drehzahl regelbaren Schnecke wird der pulverisierte Brennstoff fein verteilt und ohne sich an den Wänden des Brennraums 11 niederzuschlagen in den Brennraum 11 dosiert. Das feinverteilte Brennstoffgemisch entzündet sich an den Flammen des Brennstoffs der ersten Brennstufe 2 oder infolge der im Brennraum 11 herrschenden Temperaturen instantan und verbrennt unter Wärmeentwicklung. Die Regelung der Zufuhr von Brennstoff der zweiten Brennstufe 3 erfolgt abhängig von Wärmebedarfsspitzen, die über die von der ersten Brennstufe 2 bereit gestellte Wärmemenge hinausgeht. Die Brennstufe 3 wird in der Anbrandphase der Brennstufe 2 zugeschaltet, um eine erforderliche Wärmemenge beispielsweise um den Faktor drei schneller als bei einer nur mit der Brennstufe 2 erzielbaren Aufheizzeit zu gewinnen. Weiterhin wird die Brennstufe 3 bei Wärmebedarfsspitzen, die beispielsweise anhand eines Verbrauchsverhaltens wie einer Temperatur und deren zeitliche Entwicklung, Durchflussmengen eines Pufferspeichers, des Wärmetauschers und dergleichen ermittelt werden, gesteuert. Zur Bereitstellung einer ausreichenden und ausreichend schnellen Wärmemenge kann die Brennstufe 3 für ein Einfamilienhaus auf eine Leistung von ca. 20 kW ausgelegt sein.
Das Abgas erwärmt einen direkt in dem Brennraum 11 angeordneten oder - wie hier dargestellt - einem bezogen auf den Zug des Abgases nachfolgend vorgesehenen Wärmetauscher 13, beispielsweise einen Dampfkessel 14, der einen oder mehrere nicht dargestellte Pufferspeicher speist. Aufgrund der schnell reagierenden Brennstufe 3 kann die Kapazität eines Pufferspeichers verringert werden. Beispielsweise kann bei vorgesehener Abschaltung der Brennstufe 2 die Abschaltung früher erfolgen und die langsam abnehmende Wärmeerzeugung des lange andauernden Abbrandvorgangs gegebenenfalls durch die Brennstufe 3 abgefangen werden.
Zur Verringerung der Schadstoffbelastung ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Nachbrennkammer 15 vorgesehen, die dem Brennraum 11 nachgeschaltet ist und über die Sekundärluftzufuhreinrichtung 16 verfügt. Die Zufuhr der Primärluft und der Sekundärluft kann mittels des Gebläses 9 erfolgen. Zur Dosierung der Sekundärluft in die Nachbrennkammer 15 wird mit Hilfe der Zuluftklappe 18 der Anteil der Sekundärluft gesteuert. Zur Weiteren Abgasreinigung können die Filtereinheit 19 und der Kohleadsorber 20 in den Abgasstrom geschaltet sein.
Neben einem verbrauchsgesteuerten Betrieb der Vorrichtung 1 kann eine Korrektur der Steuerung zur Verringerung der Schadstoffbelastung erfolgen. Hierzu kann die Vorrichtung 1 über entsprechende Messvorrichtungen verfügen. Beispielsweise können an der Messstelle 21 chemische Sensoren, Temperaturmessfühler, eine Lambda-Sonde und dergleichen zur Erfassung von Verbrennungsdaten der ersten Brennstufe 2 vorgesehen sein. An der Messstelle 22 kann mittels entsprechender Sensoren die für die Emission von Schadstoffen in die Umgebungsluft relevante Abluft untersucht werden. Anhand der erfassten Messdaten kann durch Steuerung der Volumenströme der Primär- und Sekundärluft, der Dosierung von Brennstoff über die Zuführeinrichtungen 4, 10 abhängig vom Wärmebedarf eine Gesamtsteuerung der Vorrichtung 1 vorgesehen werden.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht durch die geometrische Darstellung der Vorrichtung 1 erschöpfend dargestellt ist. Abhängig von den Anforderungen, dem zur Verfügung stehenden Bauraum, einer gewünschten geometrischen Auslegung, der erforderlichen Leistung und Dynamik können auch andere geometrische Auslegungen der Brennstufen 2, 3, des Brennraums 11, gegebenenfalls der Nachbrennkammer 15, des Wärmetauschers 13 und weiterer für die Erfindung relevanter Bauteile vorgesehen sein.
Figur 3 zeigt das Diagramm 101 mit einem typischen Brennablauf der Vorrichtung 1 der Figur 2 über die Zeit t an der Messstelle 21 über die Brennphasen P1, P2, P3, P4. Die Kurve 102 zeigt dabei die Sauerstoffkonzentration, die Kurve 103 das Verbrennungsluftverhältnis (Luftzahl λ), die Kurve 104 die Kohlenmonoxidkonzentration, die Kurve 105 die Kohlendioxidkonzentration, die Kurve 106 die Konzentration an Kohlenwasserstoffen und die Kurve 107 die Wasserstoffkonzentration. In Brennphase P1 erfolgt die Zündung des Brennstoffs der Brennstufe 2. In Brennphase P2 werden kontinuierlich Brennstoff, beispielsweise 1,8 kg/h Holzpellets und beispielsweise 10Nm³/h Primärluft in Brennstufe 2 zugeführt. Die Sekundärluftmenge beträgt beispielsweise 25 Nm³/h. Aus der Verbrennung resultiert die in den Kurven 102 bis 107 gezeigte Brenngasentwicklung. In Brennphase P3 wird die Brennstufe 3 mit einer Zufuhr von beispielsweise 4,5 kg/h pulverisierten Holzpellets betrieben. Hierdurch steigt die Schadstoffbelastung überproportional, die jedoch für den endgültigen Schadstoffausstoß aufgrund der Nachbehandlung in der Nachbrennkammer wenig relevant ist. In Brennphase P4 ist die Brennstoffbeschickung beider Brennstufen 2, 3 abgeschaltet.
Figur 4 zeigt das Diagramm 110 mit einem typischen Brennverlauf der Vorrichtung 1 der Figur 2 über die Zeit t an der Messstelle 22 über die P1, P2, P3, P4. Die Dosierung der Brennstoffe und der Primär- und Sekundärluft entspricht den Bedingungen des im Diagramm 101 der Figur 3 gezeigten Brennverlaufs. Die Messstelle 22 ist für die Emission der durch die Vorrichtung 1 emittierten Schadstoffe relevant. Die Kurve 112 zeigt dabei die Sauerstoffkonzentration, die Kurve 114 die Kohlenmonoxidkonzentration, die Kurve 115 die Kohlendioxidkonzentration und die Kurve 117 die Wasserdampfkonzentration. Unter Beachtung der geänderten Skalen ist die Kohlenmonoxidkonzentration deutlich vermindert. Es fällt aber auf, dass diese in der Brennphase P2 mit ausschließlichem Betrieb der Brennstufe 2 gegenüber Brennphase P3, in der beide Brennstufen 2, 3 betrieben werden, höher ist. Der Effekt der Nachverbrennung in der Nachbrennkammer 15 ist daher in Brennphase P2 weniger wirksam. Diese kann - wie aus dem Diagramm 120 der Figur 5 hervorgeht - bei ansonsten identischen Bedingungen durch eine Rücknahme der Primärluft auf beispielsweise 5 Nm³/h und eine geänderte Zündvorrichtung entscheidend vermindert werden.

Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Brennstufe
3: Brennstufe
4: Zuführeinrichtung
5: Vorratsbehälter
6: Rost
7: Brenngutbett
8: Primärluftzufuhreinrichtung
9: Gebläse
10: Zuführeinrichtung
11: Brennraum
12: Zerkleinerungsvorrichtung
13: Wärmetauscher
14: Dampfkessel
15: Nachbrennkammer
16: Sekundärluftzufuhreinrichtung
17: Heizeinrichtung
18: Zuluftklappe
19: Filtereinheit
20: Kohleadsorber
21: Messstelle
22: Messstelle
100: Diagramm
101: Diagramm
102: Kurve
103: Kurve
104: Kurve
105: Kurve
106: Kurve
107: Kurve
110: Diagramm
112: Kurve
114: Kurve
115: Kurve
117: Kurve
120: Diagramm
I: Teildiagramm
II: Teildiagramm
III: Teildiagramm
IV: Teildiagramm
P1: Brennphase
P2: Brennphase
P3: Brennphase
P4: Brennphase
t: Zeit
Δt: Zeitintervall
λ: Verbrennungsluftverhältnis

Claims

Vorrichtung (1) zur Verbrennung fester, biogener Brennstoffe in einer ersten Brennstufe (2) mit einer ersten Zuführeinrichtung (4) des Brennstoffs in ein Brenngutbett (7), einer Primärluftzufuhreinrichtung (8), einer Zündeinrichtung zur Entzündung des Brennstoffs im Brenngutbett (7), einem über dem Brenngutbett (7) vorgesehenen Brennraum (11) sowie einem in einem Wärmestrom des verbrannten Brennguts angeordneten Wärmetauscher (13) mit zumindest einem nachgeschalteten Wärmespeicher, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Brennstufe (2) als eine Wärmegrundlast kompensierende Brennstufe ausgebildet und eine zweite, Wärmebedarfsspitzen abdeckende Brennstufe (3) mit einer zweiten, im Brennraum selbstentzündlichen Brennstoff eintragenden Zuführeinrichtung (10) vorgesehen ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff der ersten Brennstufe (2) in einem Vorratsbehälter (5) vorgehaltene Holzpellets sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff der zweiten Brennstufe ein flüssiger oder gasförmiger fossiler Brennstoff ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff der zweiten Brennstufe (3) zerkleinerter fester biogener Brennstoff ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in die Vorrichtung (1) vor dem Brennraum (11) eine Zerkleinerungsvorrichtung (12) integriert ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Brennraum (11) eine Nachbrennkammer (15) mit separat regelbarer Sekundärluft nachgeschaltet ist.
Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbrennung des auf das Brenngutbett (7) dosierten Brennstoffs abhängig von zumindest einer die Wärmegrundlast reproduzierenden Größe und die Dosierung des über die zweite Zuführeinrichtung (10) dosierten Brennstoffs abhängig von zumindest einer eine Wärmebedarfsspitze reproduzierenden Größe erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Zuführeinrichtung (10) während eines Anbrands des Brennstoffs der ersten Zuführeinrichtung (4) betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vermahlen eines festen Brennstoffs auf eine Partikelgröße oberhalb einer Selbstentzündungsgrenze begrenzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heizenergie und erwärmtes Brauchwasser bereitstellende Vorrichtung (1) im Heizbetrieb mittels Brennstoff der ersten Brennstufe (2) und im Brauchwassererwärmungsbetrieb zusätzlich die zweite Brennstufe (3) betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass während des Betriebs der zweiten Brennstufe (3) vorerwärmtes Wasser des zumindest einen Wärmespeichers in den Wärmetauscher (13) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärzuluft mittels einer Heizeinrichtung (17) erwärmt wird.