EP3105504B1 - Verfahren zum betreiben einer kleinstfeuerungsanlage für biogene festbrennstoffe und kleinstfeuerungsanlage - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer kleinstfeuerungsanlage für biogene festbrennstoffe und kleinstfeuerungsanlage Download PDF

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EP3105504B1
EP3105504B1 EP15708724.8A EP15708724A EP3105504B1 EP 3105504 B1 EP3105504 B1 EP 3105504B1 EP 15708724 A EP15708724 A EP 15708724A EP 3105504 B1 EP3105504 B1 EP 3105504B1
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EP
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reactor
primary
small furnace
fuel
small
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EP15708724.8A
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EP3105504B8 (de
EP3105504A1 (de
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Mario König
Ingo Hartmann
Sebastian GÜNTHER
Mirjam Mathes
Christian Thiel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dbfz Deutsches Biomasseforschungszentrum Gemeinnue
Original Assignee
DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum Gemeinnuetzige GmbH
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    • F23G7/10—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of field or garden waste or biomasses
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    • F23G2900/00—Special features of, or arrangements for incinerators
    • F23G2900/50002—Burning with downwards directed draft through the waste mass

Definitions

  • the invention relates to a mini-firing system for biogenic solid fuels, which is charged with solid fuels, in particular for charging with biogenic solid fuels for the production of heat and / or product gases.
  • the combustion of biomass can be divided into two main phases: the heterogeneous conversion of solids into fuel gases (drying, pyrolysis, gasification) and the homogeneous gas phase oxidation (oxidation of fuel gases). Accordingly, the combustion plant should be divided into two zones, in which separate air streams can be supplied.
  • the first phase solid biomass is converted into gaseous reaction products by supplying primary air.
  • the combustion gases are directed downwards through the ember bed into the second stage, the so-called oxidation or burnout zone.
  • the flammable gases are oxidized as completely as possible to CO 2 and H 2 O.
  • the principle of optimizing the gas phase reactions with low CO and VOC emissions are known as the 3-T rule.
  • the basic requirements of the 3-T-Rule are: sufficiently high temperature in the gas phase oxidation (> 850 ° C), sufficient residence time of the fuel gases (> 2 s) and high turbulence for a good mixing between combustible gases and secondary air (Re> 2300) , These conditions can basically be influenced by an adequate combustion design (geometry, size) and by good insulation and flow optimization.
  • a firing furnace for biogenic fuels and an operating method according to the preamble of claims 1 and 2 are known from DE102006001299 known. So far, no plants are known especially for the small power range, which are designed according to the occurring low flow rates and the relatively low temperatures.
  • the object of the invention is to provide a miniature firing system for biogenic solid fuels, i. especially up to and including 5 kW, to provide, which overcomes the disadvantages of the prior art.
  • this system should be operable according to the falling fire principle, be environmentally sound and have high efficiency.
  • the object of the invention is achieved by a method having the features according to claim 1.
  • Essential to the invention is that the dosage is carried out continuously.
  • Essential to the system according to the invention or the method according to the invention is the enabled continuous metering, for example by means of spiral dosing, of biomass, in particular small-sized biomass.
  • the pieces of small-sized biomass in the context of the invention should, in particular depending on the type and dimensioning of the respective furnace, at least a predetermined maximum size, such as a piece size up to 10 mm, especially in an asymmetrical piece shape whose maximum extent, not exceed.
  • the fuel is fed via a metering device 1 with a conveyor spiral in the metering tube to a primary reactor 4, in particular a cylindrical primary reactor in which a fuel platen 6 is located, on which the solid fuel is converted into gaseous reaction products due to the effect of temperature and the supply of primary air 2 by pyrolysis and gasification processes which is passed down through a pipe section with means for generating turbulence 8 and in a further cylindrical reactor, namely the secondary reactor 7, with a larger cross section than the primary reactor 4 by supplying preheated Secondary air 3 are oxidized as completely as possible.
  • a primary reactor 4 in particular a cylindrical primary reactor in which a fuel platen 6 is located, on which the solid fuel is converted into gaseous reaction products due to the effect of temperature and the supply of primary air 2 by pyrolysis and gasification processes which is passed down through a pipe section with means for generating turbulence 8 and in a further cylindrical reactor, namely the secondary reactor 7, with a larger cross section than the primary reactor 4 by supplying preheated
  • a vertical electrically operated hinged-tube (5) can serve as a heat source for the achievement of necessary ignition temperatures and the formation of an ember bed.
  • a suction device in particular an induced draft fan (11)
  • Numerous devices for determining the temperatures 12, 13, 14 and a measuring section 10 for determining the exhaust gas composition are provided in the incinerator.
  • the primary reactor according to the invention is an innovation, since a conventional furnace grate is not suitable for the combustion of small-sized biomass according to the falling fire principle.
  • the openings of the grate eg holes or slots
  • the openings of the grate can become clogged, as a result of which the combustion gases can no longer flow uniformly through the ember bed and combustion is at least disturbed. In the worst case, it can also lead to a tearing or extinction of the flame.
  • a special primary reactor with a novel pyrolysis funnel was developed, through which the fuel gas can flow undisturbed down.
  • the primary reactor according to the invention may comprise a plate, in particular a stainless steel plate, through which one or more small metal tubes are provided, which are provided at the top with a mushroom-like cover, with a free space between the cover and the upper end of the metal tube.
  • the geometry of the pyrolysis funnel (primary zone) and the structural design of the burner head (secondary zone) also have a major influence on the proper and low-emission use of the invention.
  • the shrinking fuel particles fall after reaching a certain size as a function of hole and mesh size through the grates and get so with a higher residual carbon content in the secondary zone.
  • an accurate and targeted separation of primary and secondary zones is not safe. Therefore, the pyrolysis funnel according to the invention has been developed in numerous variants.
  • Passage of the pyrolysis zone of (still) carbonaceous solid particles by passing through the opening of the pyrolysis funnel can be effectively prevented by mounting a round and flat 16 mm diameter bell cover above the funnel tube on lands around the funnel opening of the pyrolysis funnel.
  • the fuel particles follow the flow lines and are kept away from the funnel opening.
  • the fuel particles When the fuel particles are thermochemically transferred to small ash particles with no appreciable carbon content, they are gradually transported with the gas flow down to the gas oxidation zone of the secondary zone.
  • the ash particles By a preferably sharp about 90 ° deflection in the exhaust gas block at the transition into the exhaust pipe, the ash particles are separated from the gas stream according to the principle of inertial and collected in the removable bottom of the exhaust block until removal.
  • the object of the invention is also achieved by a miniature firing system with the features of claim 2.
  • a high-temperature catalyst allows emission-free combustion even in partial load and under transient phases, such as power change, the start and shutdown phase.
  • pollutants such as PAH and PCDD / PCDF can be lowered well below the limit values, but also with methane, CO and soot, far below the concentration range of 5 mg / m 3 with a specially adapted high-temperature catalyst.
  • emission measurement technology such as FTIR or NDIR these pollutants are then below the detection limits, so that one can speak of an emission-free biomass combustion.
  • the catalyst consists of an alumina sponge converted to a high temperature stable catalyst with spinel-structured oxides by a novel Reactive Surface Solid Activation (RSSA) process, preferably formed from manganese oxides and other transition metal oxides.
  • RSSA Reactive Surface Solid Activation
  • the catalyst is employed in the secondary zone within the outer reaction tube and preferably has a circular cross-section of 75 mm diameter so that the gas must flow completely through the open-celled solid state structure.
  • the pressure loss is low due to the high open porosity and is less than 10 Pa.
  • the pressure in the secondary zone upstream of the catalytic converter is kept constant in order to prevent any influence on the combustion management.
  • the distance of the catalyst to the burner nozzle end can be variably adjusted. By theoretical and experimental investigations, a distance of 100 mm to 180 mm to the nozzle exit has proven to be preferred.
  • FIG. 1 shows a possible embodiment of the miniature combustion system according to the invention.
  • compacted solid biomass which regularly have piece sizes over 10 mm, to enable a continuous and stationary operation of a mini-firing of biomass.
  • the screw feeders 1 required for this purpose for example for pellets or chaff, are not available on the market in series and would have to be produced in small batches, which would cause high costs. Therefore, compacted solid biomass, which regularly have piece sizes over 10 mm, comminuted, for example, produced with a granulator, and continuously, for example, with a volumetric screw feeder 1 with a variably adjustable screw speed via a frequency converter, fed into the primary reactor 4.
  • One possible embodiment for the use of comminuted solid biomass relates to the comminution of wood pellets in a granulator with a Cutting sieve insert of 4 mm sieve hole width and the subsequent separation of the particles with grain sizes greater than 1 mm and less than 4 mm.
  • lumpy biomass eg wood pellets, but also straw, cereal waste, miscanthus and the like
  • a specific, in particular maximum particle size eg between 1 to 10 mm, preferably between 1 to 4 mm.
  • these are then supplied with a volumetric dosing device 1 with conveyor spiral in the metering tube to the preferably heated primary reactor 4 continuously.
  • a volumetric dosing device 1 with conveyor spiral in the metering tube to the preferably heated primary reactor 4 continuously.
  • the primary zone they are converted by pyrolytic decomposition under oxygen deficiency in fuel gas with a defined composition and then the combustible constituents with the addition of secondary air completely oxidized to CO 2 and H 2 O.
  • the feeding of the primary air is carried out vertically above the primary reactor 4 at a distance of preferably 300 mm before the fuel feed by means of a multi-hole probe 2 for uniform distribution over the pipe cross-section of the primary zone.
  • the gas stream absorbs the fuel particles fed with the dosing device. Since the force through the fully formed turbulent gas flow and gravity through the mass of the particles act in the same direction, the crushed particles are evenly distributed over the pipe cross-section. A turbulence of the particles, as in fluidized bed reactors, thus targeted avoided.
  • the gas stream of primary air and the dispersed fuel particles passes through a heated, in particular by a Klapphrofen 5, heated zone and is thereby heated to above 500 ° C, so that a thermochemical reaction of the particles is started.
  • the high molecular weight hydrocarbon molecules of the biomass (cellulose, hemicellulose and lignin) react to form fuel gas constituents.
  • the self-adjusting axial temperature profile, the oxygen concentration, the supplied mass of fuel particles, the gas velocity and the degree of mixing and residence time of the fuel particles determines the nature of the flammable gas constituents that form.
  • Burner head secondary zone
  • the burner head of the micro-firing system consists of a straight inner reaction tube 16 with 90 mm in length and 45 mm inner diameter, through which the fuel gas (reactive mixture of pyrolysis and gasification products of the biomass with air) is fed to the burner nozzle.
  • this reaction tube is a further chemical decomposition and optionally partial oxidation in the presence of residual oxygen of the long-chain fuel gas components to short-chain components instead.
  • the rate and extent of decomposition and partial oxidation also depends on the temperature profile, the oxygen concentration, the mass of fuel particles supplied, the gas velocity and the degree of mixing and the residence time, as already described for the primary zone.
  • the inner part of the reaction tube of the secondary zone is preferably without a sudden change in cross section in a nozzle 8 of about 56 mm in length.
  • the inner inlet diameter is approx. 45 mm and the nozzle outlet has an inner diameter of approx. 16 mm.
  • the inner diameter of the outer reaction tube (made of glass, ceramic or stainless steel) is according to the invention about 75 mm.
  • the length was determined from theoretical considerations to the necessary residence time on the kinetics of total oxidation of CO and methane and empirical values from experimental studies to about 1000 mm, wherein the end of the fuel gas nozzle protrudes at the burner head to about 560 mm in the outer reaction tube of the secondary zone ,
  • a power range of 0.5 to 2 kW within the meaning of the invention can be realized in order to realize a possible carbon monoxide-free combustion.
  • the choice of the material of the outer reaction tube of the miniature firing system according to the invention depends on the desired heat extraction.
  • the mini-firing system according to the invention can be used as a continuously operated individual room firing.
  • the heat can be transported to the exhaust block (tertiary zone) and passed through a water cycle to the heating network with appropriate insulation, so that a proper use of the miniature firing system according to the invention as a central heating system for low-energy houses possible is.
  • the variant was drawn with stainless steel tube.
  • a sight glass of quartz glass 17 with a visible cross section of one inch is used.
  • the exhaust block 9 has been constructed taking into account theoretical considerations that the heat released during combustion can be released to more than 90% of a conventional heating water circuit.
  • the micro-firing system according to the invention can therefore be used flexibly either as a single-room firing system or as a micro-boiler plant.
  • the proportion of heat released between Walkerkrauslauf and direct environment can be defined vary.
  • the exhaust gas block also serves for the separation and collection of the ash particles, which are produced by the decomposition and oxidation of the biomass and converted by the defined reaction to non-oxidizable inorganic materials (silicates and other oxides and sulfates as reaction products of the inorganic ingredients).
  • the exhaust block also has the task to record the Feuerungssensorik the miniature combustion system according to the invention.
  • a screw connection with thread M85x1.5 is provided at the lower end of the exhaust gas block, in which the nozzle connection of the sensor system is inserted.
  • the sensor system consists of an unheated in-situ lambda probe with integrated thermocouple known to the person skilled in the art. The data of the lambda probe and the thermocouple are then processed in a control module and used for the adaptation of control variables for combustion and power control.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kleinstfeuerungsanlage für biogene Festbrennstoffe, die mit Festbrennstoffen beschickt wird, insbesondere zur Beschickung mit biogenen Festbrennstoffen für die Erzeugung von Wärme und/oder Produktgasen.
  • Die Mehrzahl der derzeit verfügbaren Festbrennstoff-Heizungsanlagen für den häuslichen Bereich weist eine Nennwärmeleistung von über 5 kW auf.
  • Durch einen zunehmenden Anteil von Niedrig-Energie-Häusern und energetisch sanierten Gebäuden erreichen die installierten Anlagen oft nur geringe jährliche Ausnutzungsgrade oder können nur bei Teillast mit geringer Effizienz und hohen Emissionen betrieben werden.
  • Um eine signifikante Reduktion in der Nennleistung von Festbrennstoffheizungen zu erreichen, ist die Entwicklung von emissionsarmen Kleinstfeuerungsanlagen für Festbrennstoffe mit einer thermischen Leistung unter 5 kW erforderlich, welche gegenüber dem bisherigen Stand der Technik Verbesserungen in den folgenden Bereichen aufweisen sollten.
    • Beschickung:
  • Geräte mit einer Kapazität von weniger als 5 kW stellen derzeit nur 5 % des EU-Marktes dar und werden ausschließlich manuell beschickt.
  • Manuell beschickte Anlagen, speziell für Holzbrennstoffe, weisen sehr hohe Emissionen von Kohlenmonoxid (CO), organischen gasförmigen Verbindungen (OGC) und Partikeln (PM) in der Praxis auf.
  • Eine Reihe von wissenschaftlichen Studien belegt, dass Abgas aus der Holzverbrennung eine der wichtigsten Quellen im Winter für Partikel (PM10) und für Feinstaubpartikel (PM2.5) ist. PM und seine Komponenten, wie polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) und Black Carbon (BC), haben negative Auswirkungen auf die Gesundheit und die Umwelt.
  • Aus bisherigen internen Untersuchungen im Labormaßstab ist bekannt, dass automatisiert/maschinell beschickte Anlagen tendenziell wesentlich geringere Emissionen als manuell beschickte Anlagen aufweisen. Zur Reduzierung der Emissionen aus Holzfeuerungen im kleinsten Leistungsbereich ist daher eine maschinell beschickte Zufuhr von Brennstoffen notwendig. Die handelsüblichen Pelletanlagen sind aufgrund der Größe der Pellets und der Beschaffenheit der herkömmlichen Dosierschnecken nicht in der Lage, eine maschinelle Beschickung im kleinsten Leistungsbereich zu realisieren, was zu einem sehr diskontinuierlichen und damit auch emissionsreichem Abbrand führt.
    • Feuerungskonstruktion:
  • Es ist bekannt, dass die Verbrennung von Biomasse in zwei Hauptphasen eingeteilt werden kann: die heterogene Umwandlung von Feststoffen in Brenngase (Trocknung, Pyrolyse, Vergasung) und die homogene Gasphasenoxidation (Oxidation der Brenngase). Dementsprechend sollte die Feuerungsanlage in zwei Zonen aufgeteilt werden, in denen getrennt voneinander Luftströme zugeführt werden können.
    In der ersten Phase wird feste Biomasse unter Zufuhr von Primärluft in gasförmige Reaktionsprodukte umgewandelt.
    Beim sog. Sturzbrandprinzip werden die Brenngase nach unten durch das Glutbett in die zweite Stufe, die sog. Oxidations- oder Ausbrandzone geleitet. In der zweiten Stufe werden die brennbaren Gase möglichst vollständig zu CO2 und H2O oxidiert.
    Das Prinzip der Optimierung der Gasphasen-Reaktionen mit niedrigen CO und VOC-Emissionen sind bekannt als 3-T-Regel.
    Die grundlegenden Anforderungen der 3-T-Regel sind: ausreichend hohe Temperatur in der Gasphasenoxidation (> 850 °C), genügend Verweilzeit der Brenngase (> 2 s) und hohe Turbulenz für eine gute Durchmischung zwischen brennbaren Gasen und Sekundärluft (Re > 2300). Diese Bedingungen können grundsätzlich durch eine adäquate Feuerungskonstruktion (Geometrie, Größe) und durch gute Isolation und Strömungs-Optimierung beeinflusst werden. Eine Feuerung mit Sturzbrand für biogene Brennstoffe und ein Betriebsverfahren gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2 sind aus der DE102006001299 bekannt. Speziell für den kleinen Leistungsbereich sind bisher keine Anlagen bekannt, die entsprechend der auftretenden geringen Volumenströmen sowie der relativ geringen Temperaturen ausgelegt sind.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kleinstfeuerungsanlage für biogene Festbrennstoffe, d.h. insbesondere bis einschließlich 5 kW, bereit zu stellen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwindet. Insbesondere soll diese Anlage nach dem Sturzbrandprinzip betreibbar sein, umweltverträglich sein und einen hohen Wirkungsgrad besitzen.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.
  • Erfindungswesentlich ist, dass die Dosierung kontinuierlich erfolgt.
    Wesentlich an der erfindungsgemäßen Anlage bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die ermöglichte kontinuierliche Dosierung, beispielsweise mittels Spiraldosierer, von Biomasse, insbesondere kleinstückiger Biomasse.
    Die Stücke der kleinstückigen Biomasse im Sinne der Erfindung sollten, insbesondere in Abhängigkeit von der Art und Dimensionierung der jeweiligen Feuerungsanlage, zumindest eine diesbezüglich vorbestimmte maximale Größe, beispielsweise eine Stückgröße bis zu 10 mm, insbesondere bei einer unsymmetrischen Stückform deren maximalste Ausdehnung, nicht übersteigen.
  • Der Brennstoff wird über ein Dosiergerät 1 mit Förderspirale im Dosierrohr einem Primärreaktor 4 insbesondere einem zylinderförmigem Primärreaktor zugeführt, in dem sich eine Brennstoffauflage 6 befindet, auf dem der Festbrennstoff aufgrund von Temperatureinwirkung und der Zuführung von Primärluft 2 durch Pyrolyse- und Vergasungsprozesse in gasförmige Reaktionsprodukte umgewandelt wird, welche nach unten durch ein Rohrstück mit Einrichtungen zur Erzeugung von Turbulenz 8 geleitet wird und in einem weiteren zylinderförmigen Reaktor, nämlich dem Sekundärreaktor 7, mit größerem Querschnitt als der Primärreaktor 4 durch Zuführung von vorgewärmter Sekundärluft 3 möglichst vollständig oxidiert werden.
  • Als Wärmequelle für die Erreichung notwendiger Zündtemperaturen und die Ausbildung eines Glutbettes kann ein vertikaler elektrisch betriebener Klapprohrofen (5) dienen. Zur Erzeugung des notwendigen Unterdruckes für den Sturzbrandbetrieb kommt eine Absaugeinrichtung, insbesondere ein Saugzuggebläse (11), zum Einsatz. In der Verbrennungsanlage sind zahlreiche Einrichtungen zur Bestimmung der Temperaturen 12, 13, 14 sowie eine Messstrecke 10 zur Bestimmung der Abgaszusammensetzung vorgesehen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Primärreaktor handelt es sich um eine Neuerung, da ein herkömmlicher Feuerungsrost nicht für die Verbrennung kleinstückiger Biomasse nach dem Sturzbrandprinzip geeignet ist.
    Zum einen tritt das Problem auf, dass unverbranntes Material durch den Rost fallen kann und somit den Wirkungsgrad und/oder die Emissionen in bekannter Art und Weise negativ beeinflusst. Zum anderen können sich die Öffnungen des Rostes (z.B. Löcher oder Schlitze) zusetzen, wodurch die Brenngase nicht mehr gleichmäßig durch das Glutbett strömen können und die Verbrennung zumindest gestört wird.
    Im schlimmsten Fall kann es auch zu einem Abreißen oder Erlöschen der Flamme kommen.
    Um dies zu verhindern, wurde ein spezieller Primärreaktor mit einem neuartigen Pyrolysetrichter entwickelt, durch welchen das Brenngas ungestört nach unten strömen kann.
    Der erfindungsgemäße Primärreaktor kann insbesondere eine Platte, insbesondere eine Edelstahlplatte, umfassen, durch welche eine oder mehrere kleinen Metallröhrchen geführt werden, welche oben mit einer pilzkopfartigen Abdeckung versehen sind, wobei ein freier Zwischenraum zwischen Abdeckung und oberem Ende des Metallröhrchens besteht.
  • Hierbei spielt auch die (Luft-) Dichtheit der erfindungsgemäßen Kleinstfeuerungsanlage, insbesondere bei der Verbrennung von Biomasse in zwei Hauptphasen, wie interne Untersuchungen ergeben haben, eine entscheidende Rolle, die bei bisher kommerziell verfügbaren Feuerungsanlagen aufgrund des geringen Einflusses bei höheren Leistungen/Volumenströmen vernachlässigt wurde.
  • Großen Einfluss auf die ordnungsgemäße und emissionsarme Verwendung der Erfindung haben auch die Geometrie des Pyrolysetrichters (Primärzone) und die konstruktive Ausführung des Brennerkopfes (Sekundärzone).
  • Es wurde unterschiedliche Lösungen zur Gestaltung der Primärzone theoretisch und experimentell intern untersucht.
    So wurden beispielsweise Gitterroste und Lochböden mit verschieden Maschen- und Lochweiten sowie Schwämme aus hochlegiertem Edelstahl oder Alumina getestet.
    Es konnten mit diesen Ausführungen zwar stabile Betriebszustände erzielt werden, jedoch war es nicht möglich, eine CO-freie Verbrennung zu realisieren.
    Zudem stieg der Druckverlust der getesteten Varianten mit Zufuhr von Brennstoff sehr stark überproportional an, welches einerseits durch die steigende Gasviskosität bei steigender Temperatur in der Primärzone durch die frei werdende Reaktionswärme erklärt werden kann. Anderseits führen die durch die thermochemische Umwandlung kleiner werden Brennstoffpartikel bei Durchtritt durch die Öffnungen zu einer starken Abnahme des freien Strömungsquerschnittes der Sieb-, Gitter- und Lochböden.
    Zudem fallen die schrumpfenden Brennstoffpartikel nach erreichen einer bestimmten Größe in Abhängigkeit von Loch- und Maschenweite durch die Roste und gelangen so mit höherem Restkohlenstoffanteil in die Sekundärzone. Somit ist eine exakte und gezielte Trennung von Primär- und Sekundärzone nicht sicher möglich.
    Deshalb wurde in zahlreichen Varianten der erfindungsgemäße Pyrolysetrichter entwickelt.
  • Überraschenderweise hat sich dabei gezeigt, dass mit einer Öffnungsweite und einer Öffnungshöhe des Trichterrohres von jeweils 8 mm bei einem Reaktordurchmesser von 45 mm sehr geringe Druckverluste in einem Leistungsbereich von 0,5 bis 5 kW realisieren lassen.
  • Ein Passieren der Pyrolysezone von (noch) kohlenstoffhaltigen Feststoffpartikeln durch Hindurchfallen durch die Öffnung des Pyrolysetrichters kann effektiv verhindert werden, indem eine runde und flache Glockenabdeckung mit 16 mm Durchmesser oberhalb des Trichterrohres auf Stegen um die Trichteröffnung des Pyrolysetrichters angebracht wird.
  • Es hat sicher dabei überraschend gezeigt, dass eine leichte Krümmung der Glockenabdeckung an der Anströmseite erhebliche Vorteile zeigt, da dadurch eine gezielte aber auch nicht zu starke Verdrängung der Strömungslinie hin zur Reaktorwand ermöglicht wird.
  • Die Brennstoffpartikel folgen den Strömungslinien und werden dabei von der Trichteröffnung ferngehalten.
  • Wenn die Brennstoffpartikel in kleine Aschepartikel ohne nennenswerten Kohlenstoffanteil thermochemisch überführt wurden, werden diese nach und nach mit der nach unten führenden Gasströmung in den Gasoxidationsbereich der Sekundärzone transportiert. Durch eine bevorzugt scharfe etwa 90°-Umlenkung im Abgasblock beim Übergang in das Abgasrohr werden die Aschepartikel aus dem Gasstrom nach dem Prinzip eines Trägheitsabscheiders abgeschieden und im demontierbaren Boden des Abgasblockes bis zur Entnahme gesammelt.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird außerdem durch eine Kleinstfeuerungsanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 2 gelöst.
  • Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kleinstfeuerungsanlage, ohne diese damit zu begrenzen.
  • In diesem Sinne sind die Art und der Ort des Einsatzes von Hochtemperaturkatalysatoren, insbesondere mit bestimmter aktiver Oberfläche und Spezies, bevorzugt.
  • Der Einsatz eines Hochtemperaturkatalysators ermöglicht die emissionsfreie Verbrennung auch in Teillast und unter instationären Phasen, wie bei Leistungsänderung, der Start- und Abschaltphase. Zudem können mit einem speziell angepassten Hochtemperaturkatalysator Schadstoffe wie PAK und PCDD/PCDF, weit unter die Grenzwerte aber auch Methan, CO und Ruß bis weit unter denn Konzentrationsbereich von 5 mg/m3 abgesenkt werden. Mit heute verfügbarer kontinuierlicher Messtechnik für Emissionsmesstechnik wie FTIR oder NDIR liegen diese Schadstoffe dann unter den Nachweisgrenzen, so dass von einer emissionsfreien Biomasseverbrennung gesprochen werden kann.
  • Der Katalysator besteht aus einem Aluminaschwamm, der mit einem neuartigen Verfahren durch Reaktivbeschichtung (RSSA-Verfahren, Englisch: Reactive Surface Solid Activation) in einen hochtemperaturstabilen Katalysator mit Oxiden mit Spinellstruktur überführt wird und vorzugsweise aus Manganoxiden und anderen Übergangsmetalloxiden gebildet wird. Das RSSA-Verfahren und die Verwendung des Katalysators als brennraumintegriertes System in Holzfeuerungen wurde bereits in der Patentanmeldung DE 10 2013 020 398.8 beschrieben.
  • Der Katalysator wird in der Sekundärzone innerhalb des äußeren Reaktionsrohres eingesetzt und hat vorzugsweise einen kreisrunden Querschnitt mit einem Durchmesser von 75 mm, so dass das Gas vollständig durch die offenzellige Festkörperstruktur strömen muss. Der Druckverlust ist aufgrund der hohen offenen Porosität gering und liegt unter 10 Pa.
  • Durch ein Saugzuggebläse und eine Unterdruckregelung wird der Druck in der Sekundärzone vor dem Katalysator konstant gehalten, damit eine Beeinflussung der Verbrennungsführung ausgeschlossen ist.
  • Der Abstand des Katalysators zum Brennerdüsenende kann variabel eingestellt werden. Durch theoretische und experimentelle Untersuchungen hat sich ein Abstand von 100 mm bis 180 mm zum Düsenaustritt als bevorzugt erwiesen.
  • Die Messungen zeigten eine Erhöhung der Temperatur im Bereich zwischen Düsenaustritt und Katalysator um 100 bis 150 K. Dadurch wird eine Beschleunigung der Oxidationsgeschwindigkeit erreicht und eine zusätzliche Emissionsreduzierung erzielt. Die noch verbliebenen geringen Restmengen an Ruß und flüchtigen organischen Verbindungen werden damit noch deutlich gemindert.
  • Überaschenderweise hat sich durch experimentelle Untersuchungen herausgestellt, dass sich zwei Betriebspunkte über den Massestrom an Primärluft und Brennstoff einstellen lassen, welche zu einer vollständigen Verbrennung - kohlenstoffmonoxidfreiem Abgases - der Brenngase bei ausreichender Zumischung von Sekundärluft mit der erfindungsgemäßen Geometrie der Primärzone führen (Zustand 1: gelbe Flamme und Zustand 2: blaue Flamme).
  • Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher erläutert, ohne damit alle Einsatzmöglichkeiten der Erfindung abschließend dargestellt zu haben.
  • In der Figur 1 ist eine mögliche Ausführung der erfindungsgemäßen Kleinstfeuerungsanlage dargestellt.
  • Im Leistungsbereich unter 5 kW ist es mit kompaktierter fester Biomasse, welche regelmäßig Stückgrößen über 10 mm aufweisen, nicht möglich, einen kontinuierlichen und stationären Betrieb einer Kleinstfeuerung von Biomasse zu ermöglichen. Die dafür benötigten Schneckendosierer 1, beispielsweise für Pellets oder Häcksel, sind am Markt nicht in Serie verfügbar und müssten in Kleinserien angefertigt werden, was hohe Kosten verursachen würde.
    Deshalb wurde kompaktierte feste Biomasse, welche regelmäßig Stückgrößen über 10 mm aufweisen, zerkleinert, beispielsweise mit einer Schneidmühle hergestellt, und kontinuierlich, beispielsweise mit einem volumetrisch arbeitenden Schneckendosierer 1 mit über einen Frequenzumrichter variabel einstellbarer Schneckendrehzahl, in den Primärreaktor 4 zugeführt.
    Ein mögliches Ausführungsbeispiel für die Verwendung von zerkleinerter fester Biomasse betrifft die Zerkleinerung von Holzpellets in einer Schneidmühle mit einem Schneidsiebeinsatz von 4 mm Sieblochweite und der anschließenden Abtrennung der Partikel mit Korngrößen größer 1 mm und kleiner 4 mm.
  • Folgende in Fig. 2 dargestellten Dosierraten in Abhängigkeit von der Schneckendrehzahl konnten mit der erfindungsgemäßen Kleinstfeuerungsanlage erreicht werden.
  • Beispielsweise kann bei einer Schneckendrehzahl von 1,15 s-1 und einem Heizwert von 16,8 MJ/kg (Holz) eine über den Brennstoff zugeführte Leistung von 2 kW (Massestrom = 0,12 g/s) mit dem eingesetzten Dosiergerät erzielt werden.
  • Unter Beachtung des Brennstoffwassergehaltes von 8 Ma.-% und einem Lambda-Wert von 1,1 ergibt sich nach Durchführung einer Verbrennungsrechnung mit Hilfe der Elementarzusammensetzung der beispielhaft verwendeten und zerkleinerten Holzpellets ein Abgasvolumenstrom von 2,5 m3/h (Normzustand). Der Luftbedarf für eine vollständige Verbrennung mit Lambda von 1,1 beträgt dabei 2,1 m3/h (Normzustand). Je nach eingestelltem Verhältnis von Primär- und Sekundärverbrennungsluftstrom können die chemischen Vorgänge in der Reaktionszone beeinflusst werden. Dies äußert sich in der Art der Flammenerscheinung (gelbe Flamme: geringes Verhältnis von Primär- zu Sekundärluft VPrimär /VSekundär < 0,25, blaue Flamme: hohes Verhältnis von Primär- zu Sekundärluft VPrimär /VSekundär > 1).
    Bei geringer Primärluftzufuhr werden hauptsächlich aufgrund der geringeren Temperaturen und der langsameren Zersetzungsgeschwindigkeit des Holzes größere Kohlenwasserstoffmoleküle mit mehr als zwei Kohlenstoffatomen im Molekül im Primärreaktorsystem gebildet. Diese Kohlenwasserstoff-Spezies reagieren unter dem lokal vorhandenen Luftmangel in der Primärzone zu höhermolekularen polyzyklischen Kohlenwasserstoffen (PAK) bis hin zu primären Rußpartikeln. Diese Verbindungen mit aromatischer Grundstruktur zeigen bei der Reaktion mit Sauerstoffüberschuss eine gelbe Flammenerscheinung, z.B. bei Luftvolumenströmen von VPrimär = 0,35 m3/h und VSekundär = 1,75 m3/h.
    Bei höherer Primärluftzufuhr oberhalb des Pyrolysetrichters 12 erfolgt eine aufgrund höherer Reaktionsgeschwindigkeit und damit höherer Temperatur schnelle pyrolytische Zersetzung und Teiloxidation der Holzbestandteile zu kleinen Molekülen mit Kohlenstoffatomen kleiner zwei, wobei die Hauptbestanteile der brennbaren Gase die Verbindungen CO, H2, sowie CH4 sind. Bei der Oxidation in der Flamme mit Sauerstoffüberschuss zeigt sich dann eine blaue Flamme. Die PAK- und Rußbildung kann damit wirkungsvoll unterdrückt werden, z.B. bei Luftvolumenströmen von VPrimär = 1,1 m3/h und VSekundär =1 m3/h.
  • Die Ausführung des Reaktors der erfindungsgemäßen Kleinstfeuerungsanlage zeigt Fig. 3.
  • Es werden beispielsweise grobstückige Biomassen, z.B. Holzpellets, aber auch Stroh, Getreideausputz, Miscanthus und ähnlich, auf eine jeweils bestimmte, insbesondere maximale Korngröße zerkleinert, z.B. zwischen 1 bis 10 mm, bevorzugt zwischen 1 bis 4 mm. Nachfolgend werden diese dann mit einem volumetrisch arbeitenden Dosiergerät 1 mit Förderspirale im Dosierrohr dem bevorzugt aufgeheizten Primärreaktor 4 kontinuierlich zugeführt. In der Primärzone werden diese durch pyrolytische Zersetzung unter Sauerstoffmangel in Brenngas mit definierter Zusammensetzung umgewandelt und anschließend die brennbaren Bestandteile unter Zugabe von Sekundärluft vollständig zu CO2 und H2O oxidiert.
  • Die Einspeisung der Primärluft erfolgt vertikal oberhalb des Primärreaktors 4 in einem Abstand von bevorzugt 300 mm vor der Brennstoffeinspeisung mit Hilfe einer Mehrlochsonde 2 zur gleichmäßigen Verteilung über den Rohrquerschnitt der Primärzone.
    Der Gasstrom nimmt die mit dem Dosiergerät eingespeisten Brennstoffpartikel auf. Da die Kraft durch die vollständig ausgebildete turbulente Gasströmung und die Schwerkraft durch die Masse der Partikel in gleicher Richtung wirken, werden die zerkleinerten Partikel gleichmäßig über dem Rohrquerschnitt verteilt. Eine Verwirbelung der Partikel, wie in Wirbelschichtreaktoren, wird damit gezielt vermieden.
  • Der Gasstrom aus Primärluft und den dispergierten Brennstoffpartikeln passiert eine, insbesondere durch einen Klapprohrofen 5, beheizte Zone und wird dabei auf über 500 °C aufgeheizt, so dass eine thermochemische Reaktion der Partikel gestartet wird. Dabei reagieren die hochmolekularen Kohlenwasserstoffmoleküle der Biomasse (Cellulose, Hemicellulose und Lignin) zu Brenngasbestandteile. Das sich einstellende axiale Temperaturprofil, die Sauerstoffkonzentration, die zugeführte Masse an Brennstoffpartikeln, die Gasgeschwindigkeit und der Vermischungsgrad sowie Verweilzeit der Brennstoffpartikel bestimmt dabei die Art der sich bildenden brennbaren Gasbestandteile.
    • Pyrolysetrichter
  • In der Figur 3.1 ist eine mögliche Ausführung des Pyrolysetrichters 15 dargestellt.
    • Brennerkopf: Sekundärzone
  • Der Brennerkopf der erfindungsgemäßen Kleinstfeuerungsanlage besteht aus einem geraden inneren Reaktionsrohr 16 mit 90 mm Länge und 45 mm Innendurchmesser, durch welches das Brenngas (reaktives Gemisch aus Pyrolyse- und Vergasungsprodukten der Biomasse mit Luft) bis zur Brennerdüse geführt wird. In diesem Reaktionsrohr findet eine weitere chemische Zersetzung und ggf. Teiloxidation bei Anwesenheit von Restsauerstoff der langkettigen Brenngasbestandteile zu kurzkettigen Komponenten statt.
  • Die Geschwindigkeit und das Ausmaß der Zersetzung und Teiloxidation hängt, auch wie schon bei der Primärzone beschrieben, von dem Temperaturprofil, der Sauerstoffkonzentration, der zugeführten Masse an Brennstoffpartikeln, der Gasgeschwindigkeit und dem Vermischungsgrad sowie Verweilzeit ab.
  • Die Länge und die Zufuhr von Wärme über das Reaktionsrohr spielen dabei u. a. einen entscheidenden Einfluss. Diese beiden Parameter beeinflussen neben den Randbedingungen in der Primärzone die Art der Brenngaszusammensetzung am Düsenauslass maßgeblich.
  • Der innere Teil des Reaktionsrohres der Sekundärzone geht bevorzugt ohne plötzliche Querschnittsänderung in eine Düse 8 von ca. 56 mm Länge über. Der innere Eintrittsdurchmesser beträgt ca. 45 mm und der Düsenaustritt hat einen Innendurchmesser von ca. 16 mm.
  • Direkt am Düsenaustritt des Brenngases wird über vier kreuzförmig gegenüberliegende Rohre mit einem Innendurchmesser von 4 mm Sekundärluft in einem Winkel von ca. 20° zur senkrechten Strömungsrichtung Sekundärluft eingedüst.
  • Durch umfangreiche experimentelle Untersuchungen und theoretische Berechnungen der Erfinder wurde im variablen Leistungsbereich von 1 bis 2 kW der erfindungsgemäßen Kleinstfeuerungsanlage mit danach angepasstem Sekundärluftmassestrom eine ideale Vermischung der niedermolekularen gasförmigen und brennbaren Kohlenstoffverbindungen mit Sauerstoff erzielt, ohne dass ein Flammenabriss oder eine Flammenauslöschung am Düsenaustritt mit einhergehenden hohen Emissionen auftritt.
    Der Düsenaustritt, die Sekundärlufteindüsung und das äußere Oxidationsrohr der Sekundärzone 7 sind insbesondere so aufeinander abgestimmt, dass eine gute Durchmischung mit turbulenter Strömung im äußeren Reaktionsrohr vorhanden ist.
  • Der Innendurchmesser des äußeren Reaktionsrohrs (aus Glas, Keramik oder Edelstahl) beträgt erfindungsgemäß ca. 75 mm. Die Länge wurde aus theoretischen Überlegungen zur notwendigen Verweilzeit über die Kinetik der Totaloxidation von CO und Methan sowie durch Erfahrungswerte aus experimentellen Untersuchungen auf ca. 1000 mm festgelegt, wobei das Ende der Brenngasdüse am Brennerkopf zu ca. 560 mm in das äußere Reaktionsrohr der Sekundärzone hineinragt. Damit ist unter Anpassung von Masseströmen aus Brennstoff, Primärluft und Sekundärluft ein Leistungsbereich von 0,5 bis 2 kW im Sinne der Erfindung realisierbar, um eine möglichst kohlenstoffmonoxidfreie Verbrennung zu realisieren.
  • Die Wahl des Materials des äußeren Reaktionsrohres der erfindungsgemäßen Kleinstfeuerungsanlage hängt von der gewünschten Wärmeauskoppelung ab.
  • Bei Einsatz eines Glasrohres kann ein großer Teil der Wärme über Strahlung direkt an die Umgebung abgegeben werden, so dass die erfindungsgemäße Kleinstfeuerungsanlage als kontinuierlich betriebene Einzelraumfeuerung eingesetzt werden kann.
  • Bei Einsatz eines Edelstahlrohres oder eines Rohres aus SiC-Keramik als äußeres Reaktionsrohr kann bei entsprechender Isolierung die Wärme zum Abgasblock (Tertiärzone) transportiert werden und durch einen Wasserkreislauf an das Heizungsnetz übergeben werden, so dass eine bestimmungsgemäße Verwendung der erfindungsgemäßen Kleinstfeuerungsanlage als Zentralheizungsanlage für Niedrigenergiehäuser möglich ist.
  • In der Figur 3 wurde die Variante mit Edelstahlrohr gezeichnet. Um eine Sichtkontrolle der Flamme zu realisieren, wird dabei ein Schauglas aus Quarzglas 17 mit sichtbarem Querschnitt von einem Zoll verwendet.
    • Abgasblock: Tertiärzone
  • Der Abgasblock 9 ist unter Einbeziehung theoretischer Betrachtungen so konstruiert worden, dass die bei der Verbrennung frei werdende Wärme zu mehr als 90 % an einen üblichen Heizungswasserkreislauf abgegeben werden kann.
  • Dazu sind über einem Kreisring verteilte und im Abgasblock 9 angebrachte Bohrungen für die Kreislaufwasserführung angebracht worden.
  • Da der Abgasblock 9 zudem mit Kühlrippen versehen worden ist, wird auch ein Anteil von etwa 10 % der Wärme an die direkte Umgebung durch Konvektion und Strahlung abgegeben.
  • Ohne Durchströmung des Heizwasserkreislaufes heißt sich der Abgasblock 9 auf Temperaturen über 150 °C auf, speichert Wärme und gibt dabei einen höheren Anteil über Konvektion und Strahlung an die Umgebung ab.
  • Die erfindungsgemäße Kleinstfeuerungsanlage kann daher flexibel entweder als Einzelraumfeuerung oder Kleinstkesselanlage eingesetzt werden. Durch die durch den Abgasblock geführte Kreislaufwassermenge lässt sich der Anteil an abgegebener Wärme zwischen Heizkrauslauf und direkte Umgebung definiert variieren.
  • Der Abgasblock dient weiterhin zur Abscheidung und Sammlung der Aschepartikel, die durch die Zersetzung und Oxidation der Biomasse entstehen und durch die definierte Reaktionsführung zu nicht weiter oxidierbaren anorganischen Stoffen (Silikate und andere Oxide sowie Sulfate als Reaktionsprodukte der anorganischen Inhaltsstoffe) umgewandelt werden.
  • Der Abgasblock hat weiterhin die Aufgabe, die Feuerungssensorik der erfindungsgemäßen Kleinstfeuerungsanlage aufzunehmen.
    Dazu ist am unteren Ende des Abgasblockes eine Verschraubung mit Gewinde M85x1.5 vorgesehen, in der die Stutzenverschraubung der Sensorik eingebracht wird. Die Sensorik besteht aus einer dem Fachmann bekannten unbeheizten in-situ LambdaSonde mit integriertem Thermoelement.
    Die Daten der Lambdasonde und des Thermoelements werden dann in einem Regelungsmodul verarbeitet und für die Anpassung von Stellgrößen zur Verbrennungs- und Leistungsregelung verwendet.
    • Liste der Bezugszeichen
    • 1
    Dosiergerät
    2
    Primärluftzuführung
    3
    Sekundärluftzuführung
    4
    Primärreaktor
    5
    Klapprohrofen
    6
    Brennstoffauflage
    7
    Sekundärreaktor
    8
    Einrichtungen zur Erzeugung von Turbulenzen
    9
    Abgasblock
    10
    Messstrecke/ -einrichtung
    11
    Saugzuggebläse/Absaugeinrichtung
    12
    Temperaturmessung
    13
    Temperatur- / Sauerstoffmessung
    14
    Temperaturmessung
    15
    Pyrolysetrichter
    16
    Schauglas
    17
    Inneres Reaktionsrohr

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Kleinstfeuerungsanlage mit Nennleistung unter 5 kW für biogene Festbrennstoffe, wobei dieses Verfahren nach dem Sturzbrandprinzip zumindest folgende Schritte umfasst:
    eine volumenstromveränderliche Dosierung von Festbrennstoff in einen Primärreaktor eines zweistufigen Reaktors, wobei dieser Reaktor außerdem zumindest einen Sekundärreaktor besitzt, eine heterogene Umwandlung der dosierten Festbrennstoffe in Brenngase im Primärreaktor und eine homogene Gasphasenoxidation im Sekundärreaktor, wobei der Primärreaktor einen Pyrolysetrichter besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosierung kontinuierlich erfolgt, die Stücke des Festbrennstoffes, welche dosiert werden, eine maximale Korngröße von 1 bis 4 mm besitzen, und im Sekundärreaktor ein Hochtemperaturkatalysator vorhanden ist.
  2. Kleinstfeuerungsanlage mit Nennleistung unter 5 kW und Sturzbrand für biogene Festbrennstoffe, wobei diese zumindest umfasst:
    ein Dosiergerät (1), nämlich ein Spiraldosierer oder ein Schneckendosierer, einen Primärreaktor (4) und einen Sekundärreaktor (7), wobei der Primärreaktor (4) oberhalb des Sekundärreaktors (7) und zwischen diesen eine Brennstoffauflage (6) und ein Pyrolysetrichter (15) angeordnet sind, eine Einrichtung zur Erzeugung von Turbulenzen (8), welche sich mit der oberen Öffnung an die Brennstoffauflage (6) anschließt und deren untere Öffnung in den Sekundärreaktor (7) mündet, in den Primärreaktor (4) mündet die Beschickungseinrichtung (1) und eine Primärluftzuführung (2), eine in den Sekundärreaktor (7) mündende Sekundärluftzuführung (3) und eine Abgasanlage (9), welche am Sekundärreaktor (7) angeordnet ist und eine Absaugeinrichtung (11), wobei die Abgasanlage mit der Absaugeinrichtung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Dossiergerät zur Zuführung von Festbrennstoff mit maximaler Korngröße zwischen 1 bis 4mm und zum kontinuierlichen Betrieb konfiguriert ist.
  3. Kleinstfeuerungsanlage gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärreaktor (4) eine Heizeinrichtung, insbesondere einen Klapprohrofen (5), besitzt.
  4. Kleinstfeuerungsanlage gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Primärreaktor (4) eine Heizeinrichtung, insbesondere eine selbstregelnde Glühkerze, besitzt.
  5. Kleinstfeuerungsanlage gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschickungseinrichtung (1) automatisch betreibbar ist.
  6. Kleinstfeuerungsanlage gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärluftzuführung (3) eine Einrichtung zum Vorwärmen der Sekundärluft, insbesondere einen Wärmeübertrager, besitzt.
  7. Kleinstfeuerungsanlage gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Einrichtung zur Verbrennungs- und Leistungsregelung besitzt, welche zumindest eine Einrichtung zur Unterdruckregelung, zur Verbrennungsregelung und Rückbrandregelung, Sensoren, Messeinrichtungen zur Bestimmung der Abgaszusammensetzung und eine elektronische Rechen- und Speichereinheit besitzt.
  8. Kleinstfeuerungsanlage gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Reaktoren (4; 7) luftdicht sind.
  9. Verwendung der Kleinstfeuerungsanlage für biogene Festbrennstoffe gemäß zumindest einem der Ansprüche 2 bis 8 für einen Bereich unter 5 KW.
  10. Verwendung der Kleinstfeuerungsanlage für biogene Festbrennstoffe gemäß zumindest einem der Ansprüche 2 bis 8 als Zentralheizungsanlage für Niedrigenergiehäuser und/oder kontinuierlich betriebene Einzelraumfeuerung.
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