EP2787280B1 - Vorrichtung zur Verbrennung von rieselfähigem, festem Brennstoff - Google Patents

Vorrichtung zur Verbrennung von rieselfähigem, festem Brennstoff Download PDF

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EP2787280B1
EP2787280B1 EP13162458.7A EP13162458A EP2787280B1 EP 2787280 B1 EP2787280 B1 EP 2787280B1 EP 13162458 A EP13162458 A EP 13162458A EP 2787280 B1 EP2787280 B1 EP 2787280B1
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RIKA INNOVATIVE OFENTECHNIK GmbH
SCHMID AG - ENERGY SOLUTIONS
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Best Bioenergy And Sustainable Technologies GmbH
RIKA Innovative Ofentechnik GmbH
Schmid AG - Energy Solutions
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    • F23G2205/12—Waste feed arrangements using conveyors
    • F23G2205/121—Screw conveyor

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for burning free-flowing, solid fuel such as wood pellets or wood chips, the fuel in the combustion chamber undergoing a drying process in a drying area, a degassing process in a degassing area and a burnout process in a burnout area.
  • a device and such a method is out US4009667A known.
  • devices and methods for the combustion of free-flowing, solid fuel such as wood pellets, wood chips, in particular made of biological material have been known for some time and have been published in different embodiments.
  • devices for burning wood pellets are known.
  • the wood pellets are located in a storage container and are conveyed into a combustion chamber using a screw conveyor. There they are ignited and burned by an ignition device, for example by hot air.
  • the waste heat generated during the reaction is subsequently used as useful heat, for example for heating process water or for heating buildings.
  • the oxygen required for combustion is introduced into the combustion chamber through openings in the form of air.
  • the combustion produces hot combustion gas on the one hand, which is discharged from the combustion chamber via a burn-out opening and, on the other hand, incombustible residue, which is usually removed from the combustion chamber in the form of ash.
  • the hot combustion gas can be combusted by supplying secondary air to a secondary combustion chamber.
  • devices and methods for burning free-flowing, solid fuel, such as wood pellets are known, in which a screw conveyor projects into the combustion chamber in order to feed the pellets to a grate. There the pellets are in dormant state burned and subsequently discharged by another snail in the form of ash.
  • the ash content can vary from about 0.3% to 5% wf and the ash softening temperature from 800 ° C to about 1400 ° C.
  • the low ash softening temperatures and the different ash contents can lead to slagging on the conveying means and on other burner components. On the one hand, these impair the optimal combustion and, on the other hand, the mechanical functionality of the device.
  • the object of the present invention is now to provide a device and a method for the combustion of free-flowing, solid fuel which overcomes the disadvantages of the prior art, can be flexibly adapted to different fuels, enables clean combustion, in particular the emission of nitrogen oxides and fine dust reduced compared to conventional combustion methods and also allows a compact design and inexpensive production.
  • the conveying means are designed as screw conveyors, the vane elements extending helically through the combustion chamber and being at least rotationally drivable via a drive, and wherein the vane elements are preferably arranged helically and in a band shape around the conveyor shaft such that the helical Blade elements running in the burnout area at least partially have a smaller slope than in the outgassing area, that the distance between two successive blade elements in the burnout area is smaller than in the outgassing area and / or that the conveying speed of the fuel in the conveying direction in the burnout area is lower than in the outgassing area.
  • the conveying takes place in a conveying direction which is essentially horizontal, oblique or in a direction deviating from the vertical, that the combustion chamber jacket and / or the conveying shaft can be cooled with primary air and / or secondary air, that through the shaft cavity of the conveying shaft and / or the jacket cavity primary air and / or secondary air is conducted or can be conducted and / or that primary air and / or secondary air can be preheated by passage through the shaft cavity and / or the jacket cavity.
  • the solid constituents of the fuel are burned with continuous delivery through the combustion chamber, that the volatile constituents of the fuel are burned in the primary combustion chamber and in the secondary combustion chamber, and that the incombustible constituents of the fuel are released from the conveying means as combustion residue are transported away to the combustion chamber, that the combustion chamber jacket and / or the delivery shaft is cooled with primary air and / or secondary air, that the shaft cavity of the delivery shaft is flowed through with primary air and / or secondary air and / or that primary air and / or secondary air flows through the shaft cavity and / or preheated the jacket cavity.
  • the fuel is conveyed by a rotary screw conveyor from a fuel supply into a drying area, then into a degassing area, then into a burnout area and then into a combustion residue discharge area, and that the screw conveyor has a smaller size to increase the dwell time in the burnout area Inclination than in at least one other area.
  • a certain dwell time of the fuel in the combustion chamber must be provided for the optimal conversion of the energy contained in the fuel. This is particularly due to determined several phases of the combustion process.
  • the phases include a drying phase, a pyrolysis phase, a degassing phase and a burn-off phase. In the case of conventional pellets, the drying phase can essentially be neglected.
  • the pyrolysis phase and the degassing phase are closely linked and are subsequently combined as a degassing phase.
  • the combustion phases to be carried out by the fuel take place in different areas of the combustion chamber. After the fuel has been introduced into the combustion chamber via a fuel supply, the fuel is conveyed in a conveying direction by means of conveying means. The fuel first passes through the drying area, then through the outgassing area and then through the burnout area. After the burnout area, the material to be conveyed essentially consists of burning residues such as ash, which are discharged into a collecting container via the burning residue discharge area.
  • the combustion phases of the fuel in particular the areas of the combustion phases, are arranged one after the other along the direction of delivery of the fuel.
  • An advantage of separating and / or lining up the different combustion phases is that parameters such as the supply of primary air, the temperature and the duration of the fuel in the respective area can be influenced and / or controlled separately for each area.
  • heat is given off to the fuel via the combustion chamber jacket, the conveyor or other devices.
  • the heat transport takes place opposite to the direction of the fuel, preferably via heat conduction.
  • the heat itself comes from the combustion that takes place in the following areas.
  • the maximum temperatures in the drying area are around 120 ° C to 180 ° C.
  • the outgassing area in which the degassing and pyrolysis of the fuel takes place is provided in the direction of delivery.
  • This area can also be referred to as the primary primary combustion area.
  • the area is in the immediate vicinity of the combustion chamber opening.
  • the volatile constituents of the fuel are released in the outgassing process in an endothermic process and with it through the primary air openings in the combustion chamber supplied oxygen at least partially oxidized.
  • part of the heat released is conducted into the drying area via heat conduction in the conveyor, in the combustion chamber jacket or via other devices.
  • the introduction of primary air into the outgassing area also cools the combustion chamber and / or the combustion chamber.
  • the fuel is at least partially, preferably completely, converted into coke or coal.
  • the maximum temperatures in the outgassing range are between 600 ° C and 800 ° C and up to 1000 ° C.
  • the temperatures in the outgassing region are preferably below the ash softening temperature of the fuel.
  • the coke or coal is burned to ash.
  • the oxygen required for the oxidation is supplied via primary air openings in the area.
  • the ash or the burning residue is subsequently removed from the conveying means through a burning residue discharge area.
  • the temperature in the burnout area is approximately 200 ° C to 400 ° C.
  • the temperatures in the burnout area are also preferably below the ash softening temperature of the fuel.
  • a change in the geometry of the conveying means is provided for at least partial compensation of the volume reduction.
  • This change in the geometry is advantageous, on the one hand, to further convey the small remaining volume and, on the other hand, to achieve a sufficiently good introduction of the primary air through the primary air opening in this area.
  • Another effect that can be achieved by changing the geometry of the conveying means is a change in the residence time of the fuel in the area in question. This lengthening of the residence time is advantageous since the combustion of the carbon takes longer than the outgassing of the volatile components of the fuel.
  • Primary air openings for supplying the primary air are provided both in the outgassing area and in the burnout area. This can be used, for example, for the Oxidation of the fuel and the cooling of the combustion chamber are influenced and / or controlled.
  • the volatile components of the fuel are at least partially oxidized with the primary air in the outgassing area.
  • This reaction takes place in particular in the primary combustion chamber, which extends from the ember bed of the outgassing area through the combustion chamber opening into the combustion chamber.
  • the secondary combustion chamber lies downstream of the primary combustion chamber in the flow direction of the ascending combustion gases. Secondary air openings for supplying the secondary air are provided in the region of the secondary combustion chamber. According to the invention, these can be arranged along a secondary air burner ring.
  • all combustible gases are oxidized to carbon dioxide, water and, if necessary, to further exhaust gases.
  • the volatile constituents of the fuel are removed from the fuel mass flow in the combustion chamber in the outgassing region and passed through the combustion chamber in the form of a gaseous partial mass flow.
  • the combustion chamber and the combustion chamber are essentially formed by communicating cavities.
  • the fuel is continuously conveyed through the combustion chamber and goes through the different combustion phases, in which all combustible components are preferably removed from the fuel, so that ultimately only combustion residue in the form of ash remains.
  • the volatile constituents of the fuel are fed together with the combustion gases to the separate combustion chamber, where they are subsequently burned by introducing secondary air.
  • the individual phases of the conversion of the fuel in the drying area and in the burnout area are separate from the combustion of the volatile components of the fuel, which takes place in the outgassing area, in the combustion chamber, in particular in the primary combustion chamber and the secondary combustion chamber.
  • the areas can overlap one another.
  • the separation of the areas and the combustion chambers offers the advantage that the air supply as well as the mass flow rate, the length of stay and flow conditions can be viewed and influenced separately in each area. It is only through this separation that the increase in efficiency and improvement in combustion according to the invention is achieved.
  • slagging is prevented or minimized by avoiding the ash softening temperature being exceeded.
  • Another advantage of the arrangement according to the invention is that the release of fine dust particles from the ember bed is reduced in particular by the separate supply of primary and secondary air and by the possibility of the controlled temperature in the combustion chamber.
  • the secondary air and the primary air can be preheated before being introduced into the combustion chamber or the combustion chamber.
  • This preheating can be carried out by exchanging heat with one or more components of the device according to the invention.
  • the primary air or the secondary air can be guided along the outside of the combustion chamber jacket heated by the combustion.
  • the primary air or the secondary air can be guided through hollow bodies in the combustion chamber or in the combustion chamber.
  • components of the device can be cooled in order to increase the service life and / or to improve the combustion and the efficiency.
  • the combustion control takes place, for example, as a function of performance by controlling the fuel mass flow, by controlling the conveying means, or by controlling the cycle speed or the rotational speed of the drive of the conveyor shaft.
  • the combustion air quantity in particular the primary air mass flow and the secondary air mass flow, can be controlled via the speed control of an induced draft fan.
  • Adaptation to different fuels in order to optimize the efficiency, to fall below the ash softening temperature and to improve the combustion can also be carried out by selecting the drive timing and / or speed and selecting the combustion air mass flow.
  • Feeded fuel 4 is conveyed from the area of the fuel supply 5 into the drying area 14 via conveying means 3. There is an elevated temperature in this, at which residual moisture escapes from the fuel.
  • the outgassing area 15 is located downstream of the drying area 14 in the conveying direction 26. The degassing and pyrolysis of the fuel take place in this area.
  • the volatile constituents are passed through the combustion chamber opening into the combustion chamber, in particular into the Primary combustion chamber 12 and the secondary combustion chamber 13 passed.
  • the oxygen required for the oxidation is supplied in the form of primary air 6 through one or more primary air openings 7.
  • the supply of primary air can be supported on the one hand by fans or pump-like devices.
  • the suction of the hot combustion gases creates a suction, which can be supported by pump-like devices if necessary.
  • the gaseous fuel components formed during the degassing and pyrolysis of the fuel 4 are at least partially oxidized or burned in the primary combustion chamber.
  • the primary combustion chamber 12 is followed by a secondary combustion chamber 13 in the gas extraction direction 36. Upstream of the secondary combustion chamber 13 or the secondary combustion chamber 13, one, preferably a plurality of secondary air openings 9 are provided. Through this secondary air 8 is introduced into the combustion chamber 20.
  • the entire combustible component of the gaseous fuel components is now preferably oxidized and converted into usable thermal energy.
  • the fuel 4 is conveyed continuously by the conveying means 3 to the burnout area 16.
  • the burnout area 16 further primary air openings 7 are provided for complete coking, charring and / or combustion of the solid parts of the fuel.
  • the volume of the fuel 4 is greatly reduced.
  • the pitch of the screw contour of the blade elements 21 in the burnout area 16 is at least is in part less than in the outgassing region 15. Because of the smaller gradient of the spiral contour, the blade elements 21 have moved two successive turns closer to one another.
  • This arrangement on the one hand increases the fill level in the combustion chamber 1 in the burnout area 16 and on the other hand reduces the conveying speed in the conveying direction 26 at a constant angular velocity of the rotation of the conveying shaft 22.
  • the conveying speed in the conveying direction 26 By reducing the conveying speed in the conveying direction 26, the residence time of the fuel 4 in the burnout area 16 is increased.
  • the fuel mass flow can be controlled by changing the drive speed, the conveying speed being determined by the design of the conveying means, in particular by the slope of the conveying screw.
  • the primary air openings 7 are preferably arranged in the lower region of the outgassing region 15 and the burnout region 16 of the combustion chamber 1 in the combustion chamber jacket 2.
  • the feed of the fuel 4 generated by the rotation of the conveying means 3 results in an accumulation of the fuel 4 in a lateral area of the combustion chamber 1 which deviates from the lowest lying area.
  • the fuel 4 is carried to a certain extent by the rotation of the conveying means 3 and against it Gravity moved up on the combustion chamber jacket 2.
  • the primary air openings 7 in the present embodiment are preferably arranged asymmetrically, from the lowest point of the combustion chamber 1. Examples are a lateral offset of 20 ° to 40 ° from the vertical in the direction of rotation of the screw conveyor. Further primary air openings can also be arranged in the upper area of the combustion chamber.
  • the fuel in the burnout area 16 is converted from a coke or coal-shaped stage to ashes.
  • the firing residue 10 is subsequently conveyed by conveying means 3 into the firing residue discharge area 11, from which it reaches a firing residue container 27.
  • both the primary air and the secondary air can be preheated before being introduced into the respective combustion area.
  • One way of preheating is to guide the sucked-in air along the outside of the combustion chamber jacket or along other components that have an elevated temperature due to contact with the thermal reaction.
  • the conveyor shaft 22 is designed as a hollow shaft and thus has a shaft cavity 28. Air can be introduced into the shaft, in particular into the shaft cavity 28, via a first shaft opening 29 and can be transported through the combustion chamber in this, for example in the conveying direction, with no gas exchange taking place between the combustion chamber and the shaft cavity.
  • a second shaft opening 30 is provided, through which the preheated air can be directed into the combustion chamber or the combustion chamber.
  • the preheated air in particular the secondary air
  • a jacket cavity 31 which at least partially surrounds the combustion chamber 1.
  • the air is then further heated and introduced into the combustion chamber 20 via a secondary air supply line 32 and further via the secondary air openings 9.
  • the primary air can be preheated via a primary air intake 33 and through a second jacket cavity 34 and can be introduced into the combustion chamber through the primary air openings 7.
  • the gaseous components of the combustion process and residual air are discharged via the gas exhaust 35. This is preferably arranged downstream of the combustion chamber 20. In the area of the gas exhaust and / or the combustion chamber, one or more heat exchangers can be arranged to remove the used heat.
  • the conveying direction 26 of the fuel 4 is arranged essentially horizontally.
  • the partial mass flow of the gaseous constituents through the combustion chamber 20 runs essentially vertically upwards.
  • the mass flows are led through the combustion chamber 1 and / or the combustion chamber 20, which are essentially formed from hollow bodies communicating with one another, in particular tubular components.
  • the conveying direction 26 and / or the longitudinal central axis of the conveying shaft 22 are arranged obliquely downwards.
  • the fuel is thus conveyed from a higher position in the fuel supply 5 to a lower position in the burnout area 16.
  • This inclination favors fuel transport due to the action of gravity.
  • the combustion chamber 20, in particular the gaseous partial mass flow, is in turn preferably arranged to run vertically upward in order to offer as little resistance as possible to the ascending hot gaseous components.
  • the conveying direction 26 and / or the direction of the conveying shaft are oriented obliquely upwards.
  • the funding 3 of the different embodiments can be designed differently according to the invention:
  • One possibility is the provision of a band-shaped body running helically around the conveyor shaft 22. This is essentially on the inside of the conveyor shaft 22 and formed on the outside of the combustion chamber 1. The band thus closes on the outside with the combustion chamber jacket 2.
  • the combustion chamber 1 is preferably cylindrical in this embodiment. This design corresponds to a screw conveyor in terms of structure and the principle of conveyance.
  • the screw conveyor in particular the screw-shaped belt, has radial incisions, for example to allow an air flow parallel to the conveying direction. This configuration allows better gas transport against the conveying direction 26.
  • guide elements are provided on the conveying shaft 22, which are inclined in the conveying direction 26 with respect to the respective rotational plane. These plate-shaped elements can be provided like a propeller or like a blade on the circumference and along the longitudinal extent of the conveyor shaft.
  • movably arranged guide elements are provided on the conveying shaft 22, which can be inclined or flattened depending on the desired conveying throughput.
  • the conveying means 3 are formed by a shaft-free screw which is driven by the drive at least at one end region.
  • the conveying means 3 have different slopes and / or different distances from one another depending on the area.
  • the screw has a smaller pitch and / or a smaller distance between the blade elements 21 in the region of the burnout area and / or the burning residue discharge area.
  • the conveying speed is thus reduced in this area.
  • Another effect is that through that Moving closer to each other of the individual blade elements 21, the volume between two turns is less than in the area with a greater distance between the blade elements 21. This increases the fill level in the area of the closer together blade elements 21 with a smaller pitch.
  • the dwell time in this area is increased by reducing the conveying speed.
  • the device according to the invention is particularly suitable for use as a pellet burner or premium wood chip burner for small furnaces and domestic fires.
  • pellet boilers for heating outputs from approximately 10 kW to approximately 30 kW with automatic operation for fuel ignition, fuel supply, combustion control and disposal of the combustion residues from the combustion area.
  • the efficiencies are preferably over 90%, in particular 94% -95%.
  • the dimensions of the devices according to the invention must be within a certain range in order to enable accommodation in residential buildings.
  • the compact arrangement of the device according to the invention allows dimensions which do not exceed a height of 1800 mm, preferably 1500 mm, a width of 1000 mm, preferably 600 mm and an installation depth of 1000 mm, preferably 750 mm. These dimensions can be further reduced by further optimization. It should be noted that these dimensions include the dimensions of the primary and secondary combustion chambers as well as the feed of the pellets and possibly a pellet tank.
  • the pellets can be fed to the device according to the invention, for example, via suction systems or screw conveyor systems.
  • 1000-2000W can be sufficient as auxiliary energy for the ignition process.
  • the power consumption in continuous operation including the fuel supply is, for example, a maximum of 150W.
  • a pellet storage container of approximately 120 liters can be provided in the device according to the invention.
  • the respective national emission limit values for domestic fire must be observed when burning. This applies in particular to limit values for total dust, NOx and CO emissions. Furthermore, the device according to the invention must comply with the national safety regulations for burners or boilers.
  • the following combustion principle can be used, for example:
  • the pellets are introduced from a storage container using a conventional conveyor system through a cellular wheel sluice into the conveyor set of the auger, where they are ignited by an ignition device using electrical resistance heating at the start of combustion and converted into the gaseous state with air supplied in a pre-combustion stage.
  • the fuel supplied is ignited by heat reflection and heat recirculation from this pre-combustion.
  • Solid combustion of the fuel preferably takes place in the combustion chamber, in the screw conveyor, between the conveying means and / or enclosed by the combustion chamber jacket.
  • the solid combustion of the fuel takes place with continuous delivery, preferably in a screw conveyor.
  • the combustion of the volatile components of the fuel preferably takes place in a combustion chamber connected to the combustion chamber.
  • the conveying speed of the burner screw is controlled in cycles and depending on the desired heating output.
  • the gaseous fuel from the first combustion stage is fed into the burner ring arranged above with the addition of air for post-combustion and generation of the combustion gas.
  • the remaining ash and slag residues are transported by the screw into a container.
  • the screw causes these residues to be completely removed from the guide tube, so that the primary air supply and the combustion process are not obstructed in the combustion area.
  • the combustion chamber is made, for example, of refractory shaped stones in a cylindrical design and is arranged above the secondary air burner ring or the secondary air opening.
  • the heat exchanger is constructed in a steel structure for heating the heat transfer medium for heating purposes.
  • the heat of the combustion gas is given off to the heat transfer medium, for example, via cylindrical tubes.
  • inserts can be provided in the heat exchanger tubes. These inserts become movable in order to mechanically clean the heat exchanger tubes.
  • Another object is to achieve a mechanism for controlling the inserts for a partial closure of heat exchanger tubes in order to match the heat exchanger surfaces on the combustion side to the heating power during part-load operation.
  • the exhaust gas temperature can be controlled so that it is over 140 °, which means that conventional chimneys can be used.
  • the combustion gas supply and the combustion air supply can be carried out by means of speed-controlled induced draft fans.
  • the combustion control is performance-dependent by controlling the cycle speed of the burner screw drive and synchronously by controlling the amount of combustion air via the speed control of the induced draft fan.
  • Control criteria are, for example, the power requirement and the desired / necessary residence time of the fuel in the combustion chamber.
  • the control system for dividing the combustion air volume into the primary air volume and the secondary air volume can be selected, for example, to minimize NOx emissions to less than 100 mg / MJ fuel output and dust emissions below 35 mg / MJ fuel output in the output range from 10 kW to approximately 30 kW for wood fuels in pellet form.
  • the drying of the fuel takes place at a temperature of up to 150 ° C.
  • components of the fuel such as lignin or cellulose, are gasified. This gas ignites as soon as secondary air is supplied, the flame being around 230-280 ° C.
  • the gaseous components of the fuel are evaporated at around 500-900 ° C.
  • the temperatures in the primary combustion chamber can be, for example, 700-900 ° C.
  • the temperatures in the secondary combustion chamber can be, for example, 900-1200 ° C.
  • two parallel or counter-rotating conveying means in particular screw conveyors, can be used to improve the conveying performance and conveying quality.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verbrennung von rieselfähigem, festem Brennstoff wie beispielsweise Holzpellets oder Hackgut, wobei der Brennstoff im Brennraum in einem Trocknungsbereich einen Trocknungsprozess, in einem Ausgasungsbereich einen Ausgasungsprozess und in einem Ausbrandbereich einen Ausbrandprozess durchläuft. Eine derartige Vorrichtung und ein derartiges Verfahren ist aus US4009667A bekannt.
  • Vorrichtungen und Verfahren zur Verbrennung von rieselfähigem, festem Brennstoff wie beispielsweise Holzpellets, Hackgut, insbesondere aus biologischem Material sind seit geraumer Zeit bekannt und wurden in unterschiedlichen Ausführungsformen publiziert.
    Beispielsweise sind Vorrichtungen zur Verbrennung von Holzpellets bekannt. Die Holzpellets befinden sich in einem Vorratsbehälter und werden mit Hilfe einer Förderschnecke in einen Brennraum gefördert. Dort werden sie von einem Zündmittel, beispielsweise durch heiße Luft, entzündet und verbrannt. Die bei der Reaktion entstehende Abwärme wird in weiterer Folge als Nutzwärme z.B. zur Erhitzung von Brauchwasser oder zur Heizung von Gebäuden verwendet. Der zur Verbrennung notwendige Sauerstoff wird über Öffnungen in Form von Luft in den Brennraum eingebracht. Bei der Verbrennung entsteht einerseits heißes Verbrennungsgas, das über eine Ausbrandöffnung aus dem Brennraum abgeführt wird und andererseits unbrennbarer Rückstand, der meist in Form von Asche aus dem Brennraum entfernt wird. Zur Verbesserung des Verbrennungswirkungsgrades kann durch Zuleitung von Sekundärluft in eine Sekundärbrennkammer das heiße Verbrennungsgas nachverbrannt werden.
    Ferner sind Vorrichtungen und Verfahren zur Verbrennung von rieselfähigem, festem Brennstoff wie beispielsweise Holzpellets bekannt, bei dem eine Förderschnecke in den Brennraum ragt, um die Pellets einem Rost zuzuführen. Dort werden die Pellets in ruhendem Zustand verbrannt und in weiterer Folge von einer weiteren Schnecke in Form von Asche abgeführt.
  • Um einen flexiblen Einsatz von Brennern für unterschiedliche Brennstoffe zu ermöglichen, ist eine Anpassung des Brennverlaufs notwendig. Unterschiedliche Brennstoffe weisen unterschiedliche Aschegehalte, unterschiedliche Ascheerweichungstemperaturen sowie unterschiedliche Brennwerte auf. Bei Holzpellets beispielsweise kann der Aschegehalt von etwa 0,3% bis 5%wf und die Ascheerweichungstemperatur von 800°C bis etwa 1400°C schwanken. Insbesondere die geringen Ascheerweichungstemperaturen und die unterschiedlichen Aschegehalte können zu Verschlackungen an den Fördermitteln und an anderen Brennerkomponenten führen. Diese beeinträchtigen einerseits die optimale Verbrennung und andererseits die mechanische Funktionalität der Vorrichtung. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verbrennung von rieselfähigem, festem Brennstoff zu schaffen, welches die Nachteile des Standes der Technik überwindet, flexibel an unterschiedliche Brennstoffe angepasst werden kann, eine saubere Verbrennung ermöglicht, insbesondere die Emission von Stickoxiden und Feinstaub gegenüber herkömmlichen Verbrennungsmethoden verringert und darüber hinaus eine kompakte Bauweise und eine günstige Herstellung erlaubt.
  • Die erfindungsgemäßen Aufgaben werden durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
  • Weitere Erfindungsgemäße Merkmale sind in den Unteransprüche beansprucht.
  • Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass vor und/oder in der Sekundärbrennkammer Sekundärluftöffnungen zur Zuführung von Sekundärluft vorgesehen sind, dass der Sekundärbrennkammer ein Gasabzug zum Abzug der Verbrennungsgase nachgeordnet ist, dass in Förderrichtung nach dem Ausbrandbereich ein Brennrückstandsaustragsbereich zum Austrag des Brennrückstandes vorgesehen ist, wobei der Austrag in bevorzugter Weise über die Fördermittel geschieht, dass in Förderrichtung vor dem Trocknungsbereich eine Brennstoffzuführung zur Einbringung des Brennstoffes vorgesehen ist, wobei die Einbringung in bevorzugter Weise über die Fördermittel geschieht und/oder, dass die Fördermittel als entlang einer Förderwelle angeordnete Schaufelelemente ausgeführt sind, wobei die Förderwelle über einen Antrieb zumindest rotatorisch antreibbar ist. Vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind weiters, dass die Fördermittel als Schneckenförderer ausgeführt sind, wobei sich die Schaufelelemente schraubenförmig durch den Brennraum erstrecken und über einen Antrieb zumindest rotatorisch antreibbar sind, und wobei die Schaufelelemente bevorzugt schraubenförmig und bandförmig um die Förderwelle angeordnet sind, dass die schraubenförmig verlaufenden Schaufelelemente im Ausbrandbereich zumindest teilweise eine geringere Steigung aufweisen als im Ausgasungsbereich, dass der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schaufelelementen im Ausbrandbereich geringer ist als im Ausgasungsbereich und/oder dass die Fördergeschwindigkeit des Brennstoffs in Förderrichtung im Ausbrandbereich geringer ist als im Ausgasungsbereich.
    Weitere Merkmale sind, dass die Förderung in eine Förderrichtung erfolgt die im Wesentlichen waagrecht, schräg oder in eine von der Senkrechten abweichenden Richtung verläuft, dass der Brennraummantel und/oder die Förderwelle mit Primärluft und/oder Sekundärluft kühlbar ist, dass durch den Wellenhohlraum der Förderwelle und/oder den Mantelhohlraum Primärluft und/oder Sekundärluft geleitet oder leitbar ist und/oder, dass Primärluft und/oder Sekundärluft durch Durchleitung durch den Wellenhohlraum und/oder den Mantelhohlraum vorwärmbar ist.
  • Ferner ist zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgaben ein Verfahren nach Anspruch 11 vorgesehen.
  • Weiter Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens sind, dass die festen Bestandteile des Brennstoffs bei stetiger Förderung durch die Brennkammer verbrannt werden, dass die flüchtigen Bestandteile des Brennstoffs in der Primärbrennkammer und in der Sekundärbrennkammer verbrannt werden, dass die unbrennbaren Bestandteile des Brennstoffs als Brennrückstand von den Fördermitteln aus dem Brennraum abtransportiert werden, dass der Brennraummantel und/oder die Förderwelle mit Primärluft und/oder Sekundärluft gekühlt wird, dass der Wellenhohlraum der Förderwelle mit Primärluft und/oder Sekundärluft durchströmt wird und/oder dass Primärluft und/oder Sekundärluft bei Durchströmung des Wellenhohlraums und/oder den Mantelhohlraums vorgewärmt wird.
    Ferner kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass der Brennstoff von einer rotatorisch angetriebenen Förderschnecke von einer Brennstoffzuführung in einen Trocknungsbereich, danach in einen Ausgasungsbereich, anschließend in einen Ausbrandbereich und dann in einen Brennrückstandsaustragsbereich gefördert wird, und dass die Förderschnecke zur Erhöhung der Verweilzeit im Ausbrandbereich eine kleinere Steigung aufweist als in zumindest einem weiteren Bereich.
    Zur optimalen Umsetzung der im Brennstoff enthaltenen Energie ist eine gewisse Verweilzeit des Brennstoffs im Brennraum vorzusehen. Diese ist insbesondere durch mehrere Phasen des Verbrennungsprozesses bestimmt. Die Phasen umfassen eine Trocknungsphase, eine Pyrolysephase, eine Ausgasungsphase und eine Abbrandphase. Bei herkömmlichen Pellets kann die Trocknungsphase im Wesentlichen vernachlässigt werden. Die Pyrolysephase und die Entgasungsphase sind eng miteinander verbunden und werden somit in weiterer Folge als Ausgasungsphase zusammengefasst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die vom Brennstoff zu durchlaufenden Verbrennungsphasen in unterschiedlichen Bereichen des Brennraums erfolgen. Nach Einbringung des Brennstoffs über eine Brennstoffzuführung in den Brennraum wird der Brennstoff durch Fördermittel in eine Förderrichtung gefördert. Zuerst durchläuft der Brennstoff den Trocknungsbereich, anschließend den Ausgasungsbereich und in weitere Folge den Ausbrandbereich. Nach dem Ausbrandbereich besteht das Fördergut im Wesentlichen aus Brennrückständen wie Asche, die über den Brennrückstandsaustragsbereich in einen Sammelbehälter abgeführt werden. Die Abbrandphasen des Brennstoffs, insbesondere die Bereiche der Abbrandphasen, sind nacheinander entlang der Förderrichtung des Brennstoffs angeordnet. Es entspricht jedoch dem Erfindungsgedanken, dass die Bereiche einander überschneiden. Ein Vorteil der Trennung und/oder Aneinanderreihung der unterschiedlichen Abbrandphasen ist, dass pro Bereich Parameter wie die Zufuhr der Primärluft, die Temperatur und die Verweildauer des Brennstoffs in dem jeweiligen Bereich getrennt beeinflusst und/oder gesteuert werden können.
  • Im Trocknungsbereich wird Wärme über den Brennraummantel, das Fördermittel oder andere Einrichtungen an den Brennstoff abgegeben. Der Wärmetransport geschieht dabei entgegen der Förderrichtung des Brennstoffs bevorzugt über Wärmeleitung. Die Wärme selbst stammt von der Verbrennung, welche in den darauffolgenden Bereichen geschieht. Die maximalen Temperaturen im Trocknungsbereich betragen etwa 120°C bis 180°C.
  • In Förderrichtung nachfolgend ist der Ausgasungsbereich vorgesehen, in welchem die Entgasung und Pyrolyse des Brennstoffs geschieht. Dieser Bereich kann auch als Hauptprimärverbrennungsbereich bezeichnet werden. Der Bereich befindet sich in unmittelbarer Nähe der Brennkammeröffnung. Im Ausgasungsbereich werden in dem Ausgasungsprozess in einem endothermen Prozess die flüchtigen Bestandteile des Brennstoffs freigesetzt und mit dem über die Primärluftöffnungen im Brennraum zugeführten Luftsauerstoff zumindest partiell oxidiert. Wie angemerkt wird ein Teil der dabei frei werdenden Wärme über Wärmeleitung im Fördermittel, im Brennraummantel oder über sonstige Einrichtungen in den Trocknungsbereich geleitet. Die Einbring von Primärluft in den Ausgasungsbereich bewirkt auch ein Kühlung des Brennraums und/oder der Brennkammer.
  • Bei der Entgasung und Pyrolyse des Brennstoffs wird selbiger zumindest teilweise, bevorzugt vollständig in Koks oder Kohle umgewandelt. Die Maximaltemperaturen im Ausgasungsbereich betragen etwa zwischen 600°C und 800°C und bis zu 1000°C. Bevorzugt liegen die Temperaturen im Ausgasungsbereich unterhalb der Ascheerweichungstemperatur des Brennstoffs.
  • Im Ausbrandbereich findet der Ausbrand des Koks oder der Kohle zu Asche statt. Der für die Oxidation benötigte Sauerstoff wird über Primärluftöffnungen des Bereichs zugeführt. Die Asche oder der Brennrückstand werden in weiterer Folge von den Fördermitteln durch einen Brennrückstandsausgabebereich abgeführt. Die Temperatur im Ausbrandbereich beträgt etwa 200°C bis 400°C. Bevorzugt liegen auch die Temperaturen im Ausbrandbereich unterhalb der Ascheerweichungstemperatur des Brennstoffs.
  • Insbesondere im Ausbrandbereich bzw. beim Ausbrandprozess kommt es zu einer starken Volumenreduktion des Brennstoffs. Zur zumindest teilweisen Kompensation der Volumenreduktion ist eine Veränderung der Geometrie des Fördermittels vorgesehen. Diese Änderung der Geometrie ist vorteilhaft, um einerseits das geringe verbleibende Volumen weiterzufördern und andererseits um eine ausreichend gute Einbringung der Primärluft durch die Primärluftöffnung in diesem Bereich zu erreichen.
    Ein weiterer Effekt, der durch die Veränderung der Geometrie des Fördermittels erzielt werden kann, ist eine Veränderung der Verweildauer des Brennstoffs im betreffenden Bereich. Diese Verlängerung der Verweildauer ist vorteilhaft, da die Verbrennung des Kohlenstoffs länger dauert, als die Ausgasung der flüchtigen Bestandteile des Brennstoffs.
  • Sowohl im Ausgasungsbereich als auch im Ausbrandbereich sind Primärluftöffnungen zur Zuführung der Primärluft vorgesehen. Über diese kann die beispielsweise die Oxidation des Brennstoffes und die Kühlung des Brennraums beeinflusst und/oder gesteuert werden.
  • Die flüchtigen Bestandteile des Brennstoffs werden, wie angemerkt, im Ausgasungsbereich mit der Primärluft zumindest teilweise oxidiert. Diese Reaktion geschieht insbesondere in der Primärbrennkammer, die sich vom Glutbett des Ausgasungsbereichs durch die Brennkammeröffnung in die Brennkammer erstreckt. Der Primärbrennkammer in Strömungsrichtung der aufsteigenden Verbrennungsgase nachfolgend liegt die Sekundärbrennkammer. Im Bereich der Sekundärbrennkammer sind Sekundärluftöffnungen zur Zuführung der Sekundärluft vorgesehen. Erfindungsgemäß können diese entlang eines Sekundärluft-Brennerrings angeordnet sein. In der Sekundärbrennkammer erfolgt die Oxidation aller brennbaren Gase zu Kohlendioxid, Wasser und gegebenenfalls zu weiteren Abgasen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung werden im Ausgasungsbereich die flüchtigen Bestandteile des Brennstoffs aus dem Brennstoffmassenstrom des Brennraums entnommen und in Form eines gasförmigen Teilmassenstroms durch die Brennkammer geleitet. Die Brennkammer und der Brennraum sind im Wesentlichen durch miteinander kommunizierende Hohlräume gebildet. Der Brennstoff wird kontinuierlich durch den Brennraum gefördert und durchläuft dabei die unterschiedlichen Abbrandphasen, in denen dem Brennstoff vorzugsweise alle brennbaren Bestandteile entnommen werden, sodass schlussendlich nur noch Brennrückstand in Form von Asche überbleibt. Die flüchtigen Bestandteile des Brennstoffs werden zusammen mit den Verbrennungsgasen der getrennten Brennkammer zugeführt und dort gegebenenfalls durch Einbringung von Sekundärluft nachverbrannt. Somit sind die einzelnen Phasen der Umwandlung des Brennstoffs im Trocknungsbereich und im Ausbrandbereich getrennt von der Verbrennung der flüchtigen Bestandteile des Brennstoffs, welche im Ausgasungsbereich, in der Brennkammer, insbesondere in der Primärbrennkammer und der Sekundärbrennkammer geschieht. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Bereiche einander überschneiden können. Die Trennung der Bereiche und der Brennkammern bietet den Vorteil, dass in jedem Bereich die Luftzufuhr sowie der Massendurchsatz, die Verweildauer und Strömungsverhältnisse getrennt betrachtet und beeinflusst werden können. Erst durch diese Trennung wird die erfindungsgemäße Erhöhung des Wirkungsgrades und Verbesserung der Verbrennung erreicht.
  • Insbesondere wird durch Vermeidung der Überschreitung der Ascheerweichungstemperatur die Verschlackung verhindert oder minimiert.
  • Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist, dass insbesondere durch die getrennte Zuführung von Primär und Sekundärluft, sowie durch die Möglichkeit der kontrollierten Temperatur im Brennraum, die Freisetzung von Feinstaubpartikeln aus dem Glutbett vermindert wird.
  • Erfindungsgemäß kann die Sekundärluft sowie die Primärluft vor der Einleitung in den Brennraum oder die Brennkammer vorgewärmt werden. Diese Vorwärmung kann durch einen Wärmeaustausch mit einer oder mehrerer Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgen. Beispielsweise kann die Primärluft oder die Sekundärluft entlang der Außenseite des, durch die Verbrennung erwärmten, Brennraummantels geführt sein. Ferner kann die Primärluft oder die Sekundärluft durch Hohlkörper im Brennraum oder in der Brennkammer geführt sein. Bei der Vorwärmung der Primär- und/oder Sekundärluft können Komponenten der Vorrichtung gekühlt werden, um somit die Lebensdauer zu erhöhen und/oder die Verbrennung und den Wirkungsgrad zu verbessern.
    Die Verbrennungsregelung erfolgt beispielsweise leistungsabhängig durch Steuerung des Brennstoffmassenstroms, durch Steuerung der Fördermittel, bzw. durch Steuerung der Taktgeschwindigkeit oder der Rotationsgeschwindigkeit des Antriebs der Förderwelle. Synchron dazu kann beispielsweise über die Drehzahlregelung eines Saugzuggebläses die Verbrennungsluftmenge, insbesondere der Primärluftmassenstrom und der Sekundärluftmassenstrom gesteuert sein. Auch eine Anpassung an unterschiedliche Brennstoffe zur Optimierung des Wirkungsgrades, zur Unterschreitung der Ascheerweichungstemperatur und zu Verbesserung der Verbrennung kann durch Wahl der Antriebstaktung und/oder Drehzahl und Wahl des Verbrennungsluftmassenstroms vorgenommen werden.
  • In weiterer Folge wird die Erfindung anhand konkreter Ausführungsbeispiele weiter erörtert:
    • Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Diese umfasst einen Brennraum 1, der zumindest teilweise von einem Brennraummantel 2 umgeben und bevorzugt ortsfest angeordnet ist. Der Brennraum ist im Wesentlichen länglich, rohrförmig ausgebildet und verläuft in bevorzugter Weise in einer Richtung, die von der Senkrechten abweicht. Im Brennraum 1 sind Fördermittel 3 vorgesehen, die in der dargestellten Ausführungsform als Förderschnecke ausgebildet sind. Dies Fördermittel 3 umfassen Schaufelelemente 21, die an einer Förderwelle 22 vorgesehen sind, welche von einem Antrieb 23 angetrieben und/oder antreibbar ist. In der vorliegenden Ausführung sind die Schaufelelemente 21 schraubenförmig an der im Wesentlichen durchgehenden Förderwelle 22 vorgesehen. Als Schaufelelemente 21 sind demnach die einzelnen Windungen oder Abschnitte der Förderschnecke bezeichnet. Die Förderschnecke ist in dem feststehenden Brennraum vom Antrieb gedreht und fördert dadurch den Brennstoff in Förderrichtung. Ferner ist die Förderschnecke im Wesentlichen der Innenseite des Brennraums folgend ausgestaltet. Der Brennraum, insbesondere der Brennraummantel umschließt abschnittsweise die Förderschnecke um deren gesamten Umfang. Im Bereich der Brennstoffzuführung 5 wird der Brennstoff 4 von einem Vorratsbehälter 25 gegebenenfalls über eine Brennstoffdosierungsvorrichtung 24 in den Brennraum 1 eingebracht. Wie beschrieben, wird durch Drehung der Förderwelle 22 vom Antrieb 23 der Brennstoff 4 durch die schraubenförmig angeordneten Schaufelelemente 21 in Förderrichtung 26 bewegt. Bei Inbetriebnahme der Vorrichtung wird der Brennstoff 4 weiter zu einem Zündmittel 18 gefördert. Dieses Zündmittel ist eingerichtet, um den Brennstoff zumindest auf Pyrolysetemperatur zu bringen. Ist die Reaktion gestartet, so stellt sich im Brennraum eine kontinuierliche Verbrennung ein, die durch Einbringung weiteren Brennstoffs aufrechterhalten wird. Gegebenenfalls kann auch bei kontinuierlichem Betrieb das Zündmittel 18 zur Erhöhung der Temperatur eingesetzt werden. Das Zündmittel 18 ist bevorzugt im Ausgasungsbereich oder im unteren Bereich der Primärbrennkammer angeordnet. Es kann grundsätzlich aber auch an anderen Stellen im Brennraum vorgesehen sein.
  • Zugeführter Brennstoff 4 wird über Fördermittel 3 vom Bereich der Brennstoffzuführung 5 in den Trocknungsbereich 14 gefördert. In diesem herrscht eine erhöhte Temperatur, bei der Restfeuchtigkeit aus dem Brennstoff entweicht. Dem Trocknungsbereich 14 nachgeordnet befindet sich in Förderrichtung 26 der Ausgasungsbereich 15. In diesem finden die Entgasung und die Pyrolyse des Brennstoffs statt. Die flüchtigen Bestandteile werden dabei durch die Brennkammeröffnung in die Brennkammer, insbesondere in die Primärbrennkammer 12 und die Sekundärbrennkammer 13 geleitet. Der für die Oxidation notwendige Sauerstoff wird in Form von Primärluft 6 durch eine oder mehrere Primärluftöffnungen 7 zugeführt. Die Zuführung der Primärluft kann dabei einerseits von Gebläsen oder pumpenähnlichen Vorrichtungen unterstützt sein. Andererseits entsteht durch Abzug der heißen Verbrennungsgase ein Sog, der gegebenenfalls durch pumpenähnliche Vorrichtungen unterstützt werden kann. Die bei der Entgasung und Pyrolyse des Brennstoffs 4 entstehenden gasförmigen Brennstoffbestandteile werden in der Primärbrennkammer zumindest teilweise oxidiert bzw. verbrannt. Der Primärbrennkammer 12 ist in Gasabzugsrichtung 36 eine Sekundärbrennkammer 13 nachgeordnet. Im Bereich der Sekundärbrennkammer 13 oder der Sekundärbrennkammer 13 vorgeordnet, sind eine, bevorzugt mehrere Sekundärluftöffnungen 9 vorgesehen. Durch diese wird Sekundärluft 8 in die Brennkammer 20 eingebracht. In der Brennkammer 20, insbesondere in der Sekundärbrennkammer 13 wird nun in bevorzugter Weise der gesamte brennbare Bestandteil der gasförmigen Brennstoffbestandteile oxidiert und in nutzbare Wärmeenergie umgesetzt. Der Brennstoff 4 wird dabei von den Fördermitteln 3 kontinuierlich zum Ausbrandbereich 16 weitergefördert. Im Ausbrandbereich 16 sind weitere Primärluftöffnungen 7 zur vollständigen Verkokung, Verkohlung und/oder Verbrennung der Feststoffanteile des Brennstoffs vorgesehen. Insbesondere im Ausbrandbereich 16 wird das Volumen des Brennstoffs 4 stark reduziert. Ferner ist es für eine Optimierung des Wirkungsgrades und der Verbrennung vorteilhaft, die Verweilzeit des Brennstoffs im Ausbrandbereich 16 größer zu wählen, als beispielsweise im Ausgasungsbereich 15. Zur Erhöhung der Verweilzeit ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Steigung der Schraubkontur der Schaufelelemente 21 im Ausbrandbereich 16 zumindest teilweise geringer ist als im Ausgasungsbereich 15. Durch die geringere Steigung der Spiralkontur sind die Schaufelelemente 21 zwei aufeinanderfolgender Windungen näher aneinander gerückt. Durch diese Anordnung wird einerseits der Füllstand im Brennraum 1 im Ausbrandbereich 16 erhöht und andererseits die Fördergeschwindigkeit in Förderrichtung 26 bei konstanter Winkelgeschwindigkeit der Drehung der Förderwelle 22 verringert. Durch die Verringerung der Fördergeschwindigkeit in Förderrichtung 26 wird die Verweilzeit des Brennstoffs 4 im Ausbrandbereich 16 erhöht. Durch Veränderung der Antriebsdrehzahl kann der Brennstoffmassenstrom gesteuert werden, wobei die Fördergeschwindigkeit durch die Ausgestaltung der Fördermittel, insbesondere durch die Steigung der Fördersachnecke bestimmt ist.
  • Die Primärluftöffnungen 7 sind in bevorzugter Weise im unteren Bereich des Ausgasungsbereichs 15 und des Ausbrandbereichs 16 des Brennraums 1 im Brennraummantel 2 angeordnet. Der durch Drehung der Fördermittel 3 erzeugte Vorschub des Brennstoffs 4 resultiert in einer Anhäufung des Brennstoffs 4 in einem, vom tiefstliegenden Bereich abweichenden seitlichen Bereich des Brennraums 1. Insbesondere wird der Brennstoff 4 um ein gewisses Maß von der Drehung der Fördermittel 3 mitgenommen und gegen die Schwerkraft am Brennraummantel 2 hinaufbewegt. Aus diesem Grund sind die Primärluftöffnungen 7 in der vorliegenden Ausführungsform bevorzugt asymmetrisch, von der tiefsten Stelle des Brennraumes 1 entfernt, angeordnet. Beispiele sind eine seitliche Versetzung von 20° bis 40° von der Lotrechten in Drehrichtung der Förderschnecke. Weitere Primärluftöffnungen können auch im oberen Bereich des Brennraums angeordnet sein.
  • In weiterer Folge wird der Brennstoff im Ausbrandbereich 16 von einem koks- oder kohleförmigen Stadium in Asche umgewandelt. Der Brennrückstand 10 wird in weiterer Folge von Fördermitteln 3 in den Brennrückstandsaustragsbereich 11 weitergefördert, von welchem er in einen Brennrückstandsbehälter 27 gelangt.
  • Zur weiteren Verbesserung des Wirkungsgrades kann sowohl die Primärluft als auch die Sekundärluft vor der Einbringung in den jeweiligen Brennbereich vorgewärmt werden. Eine Möglichkeit der Vorwärmung ist die Führung der angesaugten Luft entlang der Außenseite des Brennraummantels oder entlang weiterer Komponenten, die durch Kontakt mit der thermischen Reaktion eine erhöhte Temperatur aufweisen. Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Förderwelle 22 als Hohlwelle ausgeführt ist und somit einen Wellenhohlraum 28 aufweist. Über eine erste Wellenöffnung 29 kann Luft in die Welle, insbesondere in den Wellenhohlraum 28 eingebracht werden und in diesem, beispielsweise in Förderrichtung, durch den Brennraum transportiert werden, wobei kein Gasaustausch zwischen dem Brennraum und dem Wellenhohlraum stattfindet. Am entgegengesetzten Endbereich der Förderwelle ist eine zweite Wellenöffnung 30 vorgesehen, durch welche die vorgewärmte Luft in den Brennraum oder die Brennkammer geleitet werden kann. In der vorliegenden Ausführung wird die vorgewärmte Luft, insbesondere die Sekundärluft weiter in einen Mantelhohlraum 31 geleitet, der den Brennraum 1 zumindest teilweise umgibt. Die Luft wird in weiterer Folge weiter erwärmt und über eine Sekundärluftzuleitung 32 und weiter über die Sekundärluftöffnungen 9 in die Brennkammer 20 eingebracht. Die Primärluft kann gemäß der vorliegenden Ausführung über eine Primärluftansaugung 33 und durch einen zweiten Mantelhohlraum 34 vorgewärmt und durch die Primärluftöffnungen 7 in dem Brennraum eingebracht werden.
  • Die gasförmigen Bestandteile des Verbrennungsprozesses sowie Restluft werden über den Gasabzug 35 abgeführt. Dieser ist bevorzugt der Brennkammer 20 nachgeordnet. Im Bereich des Gasabzugs und/oder der Brennkammer können ein oder mehrere Wärmetauscher zur Abführung der Brauchwärme angeordnet sein.
  • In der vorliegenden Ausführungsform ist die Förderrichtung 26 des Brennstoffs 4 im Wesentlichen waagrecht angeordnet. Der Teilmassenstrom der gasförmigen Bestandteile durch die Brennkammer 20 verläuft im Wesentlichen senkrecht nach oben. Wie angemerkt sind die Massenströme durch den Brennraum 1 und/oder die Brennkammer 20 geführt, welche im Wesentlichen aus miteinander kommunizierenden Hohlkörpern, insbesondere rohrförmigen Bauteilen gebildet sind.
  • Gemäß einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform sind die Förderrichtung 26 und/oder die Längsmittelachse der Förderwelle 22 schräg nach unten verlaufend angeordnet. Somit wird der Brennstoff von einer höheren Position bei der Brennstoffzuführung 5 in eine tiefere Position in den Ausbrandbereich 16 gefördert. Diese Schrägstellung begünstigt den Brennstofftransport durch die Wirkung der Schwerkraft. Die Brennkammer 20, insbesondere der gasförmige Teilmassenstrom ist wiederum bevorzugt senkrecht nach oben verlaufend angeordnet, um den aufsteigenden heißen gasförmigen Bestandteilen möglichst wenig Widerstand zu bieten.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Förderrichtung 26 und/oder die Verlaufrichtung der Förderwelle schräg nach oben ausgerichtet.
  • Die Fördermittel 3 der unterschiedlichen Ausführungsformen können erfindungsgemäß unterschiedlich ausgeformt sein:
    Eine Möglichkeit ist das Vorsehen eines schraubenförmig um die Förderwelle 22 verlaufenden bandförmigen Körpers. Dieser ist an der Innenseite im Wesentlichen an der Förderwelle 22 anliegend und an seiner Außenseite dem Brennraum 1 folgend ausgebildet. Somit schließt das Band an seiner Außenseite mit dem Brennraummantel 2 ab. Bevorzugt ist der Brennraum 1 bei dieser Ausführung zylinderförmig ausgebildet. Vom Aufbau und vom Förderprinzip entspricht diese Ausgestaltung einem Schneckenförderer.
  • Gemäß einer weiteren Ausführung der Fördermittel 3 weist die Förderschnecke, insbesondere das schraubenförmig verlaufende Band radiale Einschnitte auf, um beispielsweise einen Luftstrom parallel zur Förderrichtung zu erlauben. Diese Ausgestaltung erlaubt besseren Gastransport entgegen der Förderrichtung 26.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Fördermittel 3 sind Leitelemente an der Förderwelle 22 vorgesehen, die gegenüber der jeweiligen Drehebene in Förderrichtung 26 schräggestellt sind. Diese plattenförmigen Elemente können propellerähnlich oder schaufelähnlich am Umfang und entlang der Längserstreckung der Förderwelle vorgesehen sein.
    Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Fördermittel 3 sind beweglich angeordnete Leitelemente an der Förderwelle 22 vorgesehen, die je nach gewünschtem Förderdurchsatz schräggestellt oder flachgestellt werden können.
    Nach einer weiteren Ausführungsform sind die Fördermittel 3 durch eine wellenfreie Schnecke gebildet, die zumindest an einem Endbereich vom Antrieb angetrieben ist.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Fördermittel 3 je nach Bereich unterschiedliche Steigungen und/oder unterschiedliche Abstände zueinander aufweisen. Im Falle einer Förderschnecke weist die Schnecke im Bereich des Ausbrandbereichs und/oder des Brennrückstandsaustragsbereich eine geringere Steigung und/oder einen geringeren Abstand der Schaufelelemente 21 zueinander auf. Bei konstanter Drehung der Förderwelle 22 durch den Antrieb 23 wird somit in diesem Bereich die Fördergeschwindigkeit verringert. Ein weiterer Effekt ist, dass durch das nähere Aneinanderrücken der einzelnen Schaufelelemente 21 das Volumen zwischen zwei Windung geringer ist als im Bereich mit größerem Abstand der Schaufelelemente 21. Dadurch wird der Füllstand im Bereich der näher zusammengerückten Schaufelelemente 21 mit geringerer Steigung erhöht. Ferner wird durch die Verringerung der Fördergeschwindigkeit die Verweilzeit in diesem Bereich erhöht.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere zum Einsatz als Pelletsbrenner oder Premium-Hackgutbrenner für Kleinfeuerungen und Hausbrand geeignet. Beispiele dafür sind Pellets-Heizkessel für Heizleistungen von etwa 10kW bis etwa 30kW mit Automatikbetrieb für die Brennstoffzündung, Brennstoffzuführung, Verbrennungsregelung und Entsorgung der Verbrennungsrückstände aus dem Brennbereich. Die Wirkungsgrade liegen bevorzugt über 90%, insbesondere bei 94%-95%. Die Abmessung der erfindungsgemäßen Vorrichtungen muss in einem gewissen Rahmen liegen, um eine Unterbringung in Wohnhäusern zu ermöglichen. Die erfindungsgemäße kompakte Anordnung der Vorrichtung erlaubt Abmessungen, die eine Höhe von 1800mm bevorzugt 1500mm, eine Breite von 1000mm bevorzugt 600mm und eine Einbautiefe von 1000mm bevorzugt 750mm nicht übersteigen. Durch weitere Optimierung können diese Abmaße weiter verringert werden. Anzumerken ist, dass diese Abmessungen die Abmessungen die Primär-und Sekundärbrennkammern sowie die Zuführung der Pellets und gegebenenfalls einen Pelletstank beinhalten.
  • Die Pellets können beispielsweise über Saugsysteme oder Schneckenfördersysteme der erfindungsgemäßen Vorrichtung zugeführt werden.
  • Als Hilfsenergie für den Zündvorgang können 1000-2000W ausreichend sein. Der Stromverbrauch im Dauerbetrieb einschließlich der Brennstoffzuführung beträgt beispielsweise maximal 150W. Ferner kann in der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Pelletsvorratsbehälter von etwa 120I Inhalt vorgesehen sein.
  • Als Brennstoffe eignen sich unterschiedliche Holzpelletsarten, Premium-Hackgut, Rapspressrückstände, Olivenschrot, Obsttrester, gepresste Gräser und weiteres gepresstes biologisches Material.
  • Ferner müssen bei der Verbrennung die jeweiligen national geltenden Emissionsgrenzwerte für Hausbrand eingehalten werden. Insbesondere betrifft dies Grenzwerte für Gesamtstaub, NOx und CO-Emissionen. Weiters muss die erfindungsgemäße Vorrichtung den nationalen Sicherheitsregularien für Brenner bzw. Heizkessel entsprechen.
  • Erfindungsgemäß kann beispielsweise folgendes Verbrennungsprinzip zur Anwendung kommen:
    Aus einem Vorratsbehälter werden die Pellets mit einem herkömmlichen Fördersystem durch eine Zellradschleuse in den Fördersatz der Brennschnecke eingebracht, wo sie beim Brennstart durch ein Zündmittel mittels elektrischer Widerstandsheizung gezündet und mit zugeführter Luft in einer Vorverbrennungsstufe in den gasförmigen Zustand überführt werden. Nach dem Brennerstart erfolgt die Zündung des zugeführten Brennstoffs durch Wärmerückstrahlung und Wärmerückleitung aus dieser Vorverbrennung. Bevorzugt findet die Feststoffverbrennung des Brennstoffes im Brennraum, in der Förderschnecke, zwischen den Fördermitteln und/oder vom Brennraummantel eingeschlossen statt. Ferner findet die Feststoffverbrennung des Brennstoffes bei stetiger Förderung, bevorzugt in einem Schneckenförderer statt. Die Verbrennung der flüchtigen Bestandteile des Brennstoffs findet bevorzugt in einer, mit dem Brennraum verbundenen Brennkammer statt.
  • Die Steuerung der Fördergeschwindigkeit der Brennerschnecke erfolgt taktend und abhängig von der gewünschten Heizleistung.
  • Aus dem mittleren Abschnitt der Brennerschneckenführung - dem Ausgasungsbereich - wird der gasförmig ausbreitende Brennstoff aus der ersten Verbrennungsstufe unter Zuführung von Luft zur Nachverbrennung und Erzeugung des Verbrennungsgases in den darüber angeordneten Brennerring geführt.
  • Im Endabschnitt der Brennerschneckenführung wird die zurückbleibende Asche und Schlackenreste von der Schnecke in einen Behälter transportiert. Die Schnecke bewirkt den restlosen Austrag dieser Rückstände aus dem Führungsrohr, sodass im Verbrennungsbereich die Primärluftzuführung und der Verbrennungsprozess nicht behindert werden.
  • Weitere konstruktive Merkmale einer möglichen Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung:
    Die Brennkammer wird beispielsweise aus feuerfesten Formsteinen in zylindrischer Bauweise ausgeführt und wird über dem Sekundärluft-Brennerring oder der Sekundärluftöffnung angeordnet.
    Der Wärmetauscher wird in einer Stahlkonstruktion zur Erwärmung des Wärmeträgers für Heizzwecke ausgeführt. Der Wärmeabgabe des Verbrennungsgases an den Wärmeträger erfolgt beispielsweise über zylindrische Rohre. Zur Erhöhung des Wärmeüberganges und zur Erzielung einer kompakten Bauweise können in den Wärmetauscherrohren Einsätze vorgesehen sein. Diese Einsätze werden beweglicher Form, um die Wärmetauscherrohre mechanisch zu reinigen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, einen Mechanismus zur Steuerung der Einsätze für einen teilweisen Verschluss von Wärmetauscherrohren zur Angleichung der verbrennungsseitigen Wärmetauscherflächen an die Heizleistung bei Teillastbetrieb zu erzielen. Dabei kann die Abgastemperatur so gesteuert sein, dass sie über 140° beträgt, wodurch herkömmliche Schornsteine verwendet werden können.
  • Die Verbrennungsgasführung und die Verbrennungsluftzuführung können mittels Drehzahlgeregelten Saugzuggebläsen erfolgen.
  • Die Verbrennungsregelung erfolgt leistungsabhängig durch Steuerung der Taktgeschwindigkeit des Antriebs der Brennerschnecke und synchron dazu durch Steuerung der Verbrennungsluftmenge über die Drehzahlregelung des Saugzuggebläses. Regelungskriterien sind beispielsweise die Leistungsanforderung und die gewünschte/nötige Verweilzeit des Brennstoffs im Brennraum. Die Steuerung zur Aufteilung der Verbrennungsluftmenge in die Primärluftmenge und die Sekundärluftmenge kann beispielsweise zur Minimierung der NOx-Emissionen auf unter 100mg/MJ Brennstoffleistung und der Staubemissionen unter 35mg/MJ Brennstoffleistung im Leistungsbereich von 10kW bis etwa 30kW bei Holzbrennstoffen in Pelletsform gewählt werden.
  • Ferner ist bei der Verkleidung und Isolierung eine Dimensionierung vorzusehen, sodass das Wirkungsgradziel von etwa 95% erreicht wird. Die Trocknung des Brennstoffs erfolgt bei einer Temperatur von bis zu 150°C. Bei höheren Temperaturen werden Bestandteile des Brennstoffs wie beispielsweise Lignin oder Zellulose vergast. Dieses Gas entzündet sich sobald Sekundärluft zugeführt wird, wobei der Flamm bei etwa 230-280°C liegt. Das Ausdampfen der gasförmigen Bestandteile des Brennstoffs geschieht bei etwa 500-900°C.
    Die Temperaturen in der primären Brennkammer können beispielsweise 700-900°C betragen. Die Temperaturen in der sekundären Brennkammer können beispielsweise betragen 900-1200°C.
    Ferner können zur Verbesserung der Förderleistung und der Förderqualität zwei parallel oder gegenlaufende Fördermittel insbesondere Förderschnecken eingesetzt werden.

Claims (15)

  1. Vorrichtung zur Verbrennung von rieselfähigem, festem Brennstoff (4) wie Holzpellets oder Hackgut,
    wobei der Brennstoff (4) im Brennraum (1) in einem Trocknungsbereich (14) einen Trocknungsprozess, in einem Ausgasungsbereich (15) einen Ausgasungsprozess und in einem Ausbrandbereich (16) einen Ausbrandprozess durchläuft,
    wobei Fördermittel (3) zur kontinuierlichen Förderung des Brennstoffs (4) durch den Trocknungsbereich (14), den Ausgasungsbereich (15) und den Ausbrandbereich (16) vorgesehen sind,
    wobei der Trocknungsbereich (14), der Ausgasungsbereich (15) und der Ausbrandbereich (16) im Brennraum in Förderrichtung (26) nacheinander und/oder einander überschneidend angeordnet sind,
    dadurch gekennzeichnet, dass eine getrennte Brennkammer vorgesehen ist, der die flüchtigen Bestandteile des Brennstoffs zusammen mit den Verbrennungsgasen zugeführt und dort gegebenenfalls durch Einbringung von Sekundärluft nachverbrannt werden,
    dass die Feststoffverbrennung des Brennstoffes bei stetiger Förderung, bevorzugt in einem Schneckenförderer, stattfindet,
    dass die Verbrennung der flüchtigen Bestandteile des Brennstoffs in einer mit dem Brennraum verbundenen Brennkammer stattfindet,
    sodass die einzelnen Phasen der Umwandlung des Brennstoffs im Trocknungsbereich und im Ausbrandbereich getrennt von der Verbrennung der flüchtigen Bestandteile des Brennstoffs sind, welche im Ausgasungsbereich und in der Brennkammer, insbesondere in der Primärbrennkammer und der Sekundärbrennkammer geschieht.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgasungsbereich (15) mit einer Primärbrennkammer (12) verbunden ist, dass der Ausgasungsbereich (15) die Primärbrennkammer (12) zumindest teilweise umfasst und/oder dass die Primärbrennkammer (12) mit einer Sekundärbrennkammer (13) verbunden ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die flüchtigen Bestandteile des Brennstoffs im Ausgasungsbereich mit der Primärluft zumindest teilweise oxidiert werden, wobei diese Reaktion insbesondere in der Primärbrennkammer geschieht, die sich vom Glutbett des Ausgasungsbereichs durch die Brennkammeröffnung in die Brennkammer erstreckt, und dass der Primärbrennkammer in Strömungsrichtung der aufsteigenden Verbrennungsgase nachfolgend die Sekundärbrennkammer angeordnet ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Ausgasungsbereich (15) und/oder im Ausbrandbereich (16) Primärluftöffnungen (7) zur Zuführung von Primärluft (6) vorgesehen sind und dass gegebenenfalls vor und/oder in der Sekundärbrennkammer (13) Sekundärluftöffnungen (9) zur Zuführung von Sekundärluft (8) vorgesehen sind.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Förderrichtung (26) nach dem Ausbrandbereich (16) ein Brennrückstandsaustragsbereich (11) zum Austrag des Brennrückstandes vorgesehen ist, wobei der Austrag in bevorzugter Weise über die Fördermittel (3) geschieht.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Förderrichtung (26) vordem Trocknungsbereich (14) eine Brennstoffzuführung (5) zur Einbringung des Brennstoffes vorgesehen ist, wobei die Einbringung in bevorzugter Weise über die Fördermittel (3) geschieht.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördermittel (3) als entlang einer Förderwelle (22) angeordnete Schaufelelemente (21) ausgeführt sind, wobei die Förderwelle (22) über einen Antrieb (19, 23) zumindest rotatorisch antreibbar ist und/oder dass die Fördermittel (3) als Schneckenförderer ausgeführt sind, wobei sich die Schaufelelemente (21) schraubenförmig durch den Brennraum erstrecken und über einen Antrieb (19, 23) zumindest rotatorisch antreibbar sind, wobei die Schaufelelemente (21) bevorzugt schraubenförmig und bandförmig um die Förderwelle (22) angeordnet sind.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die schraubenförmig verlaufenden Schaufelelemente (21) im Ausbrandbereich (16) zumindest teilweise eine geringere Steigung aufweisen als im Ausgasungsbereich (15), dass der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schaufelelementen (21) im Ausbrandbereich (16) geringer ist als im Ausgasungsbereich (16) und/oder dass die Fördergeschwindigkeit des Brennstoffs (4) in Förderrichtung (26) im Ausbrandbereich(16) geringer ist als im Ausgasungsbereich (15).
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderung in eine Förderrichtung (26) erfolgt die im Wesentlichen waagrecht, schräg oder in eine von der Senkrechten abweichenden Richtung verläuft.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennraummantel (2) und/oder die Förderwelle (22) mit Primärluft und/oder Sekundärluft kühlbar ist, dass durch den Wellenhohlraum (28) der Förderwelle (22) und/oder den Mantelhohlraum (31) Primärluft und/oder Sekundärluft geleitet ist und/oder dass Primärluft und/oder Sekundärluft durch Durchleitung durch den Wellenhohlraum (28) und/oder den Mantelhohlraum (31) vorwärmbar ist.
  11. Verfahren zur Verbrennung von rieselfähigem, festem Brennstoff wie Holzpellets oder Hackgut in einem Brennraum,
    wobei der Brennstoff im Brennraum in einem Trocknungsbereich einen Trocknungsprozess, in einem Ausgasungsbereich einen Ausgasungsprozess und in einem Ausbrandbereich einen Ausbrandprozess durchläuft,
    wobei
    der Brennstoff über Fördermittel kontinuierlich zuerst durch den Trocknungsbereich, dann durch den Ausgasungsbereich und anschließend durch den Ausbrandbereich gefördert wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die flüchtigen Bestandteile des Brennstoffs zusammen mit den Verbrennungsgasen einer getrennten Brennkammer zugeführt und dort gegebenenfalls durch Einbringung von Sekundärluft nachverbrannt werden,
    dass die Feststoffverbrennung des Brennstoffes bei stetiger Förderung, bevorzugt in einem Schneckenförderer, stattfindet
    und dass die Verbrennung der flüchtigen Bestandteile des Brennstoffs bevorzugt in der mit dem Brennraum verbundenen Brennkammer stattfindet,
    sodass die einzelnen Phasen der Umwandlung des Brennstoffs im Trocknungsbereich und im Ausbrandbereich getrennt von der Verbrennung der flüchtigen Bestandteile des Brennstoffs sind, welche im Ausgasungsbereich und in der Brennkammer, insbesondere in der Primärbrennkammer und der Sekundärbrennkammer geschieht.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Ausgasungsbereich und/oder im Ausbrandbereich Sauerstoff, insbesondere Primärluft zugeführt wird und dass die beim Ausgasungsprozess aus dem Brennstoff entweichenden flüchtigen Bestandteile des Brennstoffs in einen Brennraum geleitet werden und dort mit Primärluft und/oder Sekundärluft oxidiert werden.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff mit einer Fördergeschwindigkeit durch den Brennraum gefördert wird, wobei die Fördergeschwindigkeit im Ausbrandbereich geringer ist als im Ausgasungsbereich und/oder im Trocknungsbereich und dass bevorzugt der Brennstoff im Trocknungsbereich, im Ausgasungsbereich und im Ausbrandbereich jeweils eine Verweilzeit aufweist, wobei bevorzugt die Verweilzeit im Ausbrandbereich höher ist als im Ausgasungsbereich und/oder im Trocknungsbereich.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die flüchtigen Bestandteile des Brennstoffs in der Primärbrennkammer und in der Sekundärbrennkammer verbrannt werden.
  15. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff von einer rotatorisch angetriebenen Förderschnecke von einer Brennstoffzuführung in einen Trocknungsbereich, danach in einen Ausgasungsbereich, anschließend in einen Ausbrandbereich und dann in einen Brennrückstandsaustragsbereich gefördert wird, und dass die Förderschnecke zur Erhöhung der Verweilzeit im Ausbrandbereich eine kleinere Steigung aufweist als in zumindest einem weiteren Bereich.
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