WO2002070951A1

WO2002070951A1 - Heizungsanlage und verfahren zum betreiben einer heizungsanlage

Info

Publication number: WO2002070951A1
Application number: PCT/EP2002/002453
Authority: WO
Inventors: Dieter Reintanz
Original assignee: Innovationen Zur Verbrennungstechnik Gmbh
Priority date: 2001-03-06
Filing date: 2002-03-06
Publication date: 2002-09-12
Also published as: DE10110783A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verfahren zum Betreiben einer Heizungsanlage (1), wobei in einer Heizkesseleinrichtung (2) ein Brennstoff verbrannt wird. Um ein Verfahren der vorgenannten Art zur Verfügung zu stellen, bei dem einerseits der Schadgasanteil und insbesondere der Partikelausstoss (Russ), der HC, CO, NOx-Anteil deutlich verringert und andererseits ein verbesserter Wirkungsgrad erzielt wird, ist vorgesehen, dass aus den bei der Verbrennung des Brennstoffs (B) entsehenden Rauchgasen ein im Kreislauf geführtes Trägergas rückgewonnen wird, dass dem Trägergas ein sauerstoffhaltiges Gas zugegeben wird und dass das sauerstoffhaltige Trägergas als Verbrennungsgas der Heizkesseleinrichtung (2) zugeführt wird.

Description

Heizungsanlage und Verfahren zum Betreiben einer Heizungsanlage

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Heizungsanlage, wobei in einer Heizkesseleinrichtung ein Brennstoff verbrannt wird. Des weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Heizungsanlage mit einer Heizkesseleinrichtung.

Heizungsanlagen sowie Verfahren der vorgenannten Art sind bereits aus der Praxis seit langem bekannt. Derartige Heizungsanlagen werden üblicherweise als Hausheizungen eingesetzt, können aber auch im industriellen Bereich eingesetzt werden. Nachteilig bei den bekannten Heizungsanlagen ist, daß bei der Verbrennung des Brennstoffs ein erheblicher Anteil an Schadgasen insbesondere in Form von HC, CO, NO_x und Rußpartikeln entsteht, der an die Atmosphäre abgegeben wird. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die bekannten Heizungsanlagen mit einem vergleichsweise schlechten Wirkungsgrad arbeiten. Dieser ergibt sich im wesentlichen aufgrund von Wärmeverlusten durch Abgase, und Wärmeabstrahlung.

Aus der Druckschrift DE 195 03 348 AI ist bekannt, durch Verminderung der Stickstoffzufuhr in den Feuerungsraum während des Verbrennungsprozesses die NO_x-Bildung zu verringern. Im stationären Betrieb wird mit Hilfe eines Heißgasventilators Rauchgas rezirkuliert und anstelle von Frischluft mit Sauerstoff der Feuerung wieder zugeführt. Dieses Verfahren ermöglicht die Re- duzierung des in den Feuerungsraum eingebrachten Stickstoffs auf den in Brennstoff (nur im Erdgas ist Brennstoffstickstoff) enthaltenen Stickstoff und den je nach gewähltem Luftzerlegungsverfahren im Sauerstoff vorhandenen Reststickstoff.

Aus der Druckschrift DE 43 13 102 AI ist ebenfalls ein Verfahren zur Verringerung von NO_x-Emissionen bei der Verbrennung bekannt. Auch bei diesem Verfahren ist vorgesehen, daß die Verbrennungsluft durch ein Verbrennungsgas ersetzt wird, das sich aus rückgeführtem Rauchgas, im wesentlichen aus C0₂ und Sauerstoff zusammensetzt, wobei die Verbrennung unter weitest- gehendem Luftabschluß erfolgt. Ein Teil des kohlendioxidreichen Rauchga-

BESTATIGUNGSKOPIE ses wird nach der Rauchgasreinigung rezirkuliert, anschließend mit technischem Sauerstoff gemischt und der Verbrennung zugeführt. Es erreicht also nur diejenige Rauchgasmenge den Kamin, die bei der Oxidation des Brennstoffes durch den im Verbrennungsgas enthaltenen Sauerstoff entsteht. Von Nachteil der bekannten Verfahren zur Reduzierung der NO_x-Kon- zentrationen im Rauchgas durch Rauchgasrezirkulation ist, daß mit dem Rauchgas auch Schadgaskomponenten rezirkuliert werden, die sich negativ auf den Verbrennungsprozeß und die Standzeit und den Wirkungsgrad der Heizungsanlage auswirken.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine Heizungsanlage zur Verfügung zu stellen, wobei einerseits der Schadstoffanteil HC, CO und insbesondere der NO_x-Anteil, sowie Partikel werden deutlich verringert und andererseits ein verbesserter Wir- kungsgrad bei geringen Kosten und einer hohen Standzeit der Heizungs-anlage erzielt wird.

Die vorgenannte Aufgabe ist erfindungsgemäß im wesentlichen bei dem eingangs genannten Verfahren dadurch gelöst, daß aus den bei der Verbrennung des Brennstoffes entstehenden Rauchgasen ein im Kreislauf geführtes und an der Verbrennung nicht teilnehmendes Trägergas rückgewonnen wird, daß das Trägergas mit einem sauerstoffhaltigen Gas gemischt wird und daß das sauerstoffhaltige Trägergas als Verbrennungsgas der Heizkesseleinrichtung zugeführt wird. Vorrichtungsgemäß ist vorgesehen, daß eine der Heizkessel- einrichtung nachgeordnete Rückgewinnungseinrichtung zur Rückgewinnung eines im Kreislauf geführten Trägergases aus dem bei der Verbrennung entstehenden Rauchgas vorgesehen ist, daß eine der Rückgewinnungseinrichtung nachgeordnete Mischkammer vorgesehen ist, in der das Trägergas und ein zugeführtes, sauerstoffhaltiges Gas vermischt werden und daß die Mischkammer zur Zuführung des sauerstoffhaltigen Trägergases zur Verbrennung mit der Heizkesseleinrichtung verbunden ist.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß durch Verwendung eines im Kreislauf geführten Trägergases, das aus den Rauchgasen rückgewonnen wird, der Anteil an Schadstoffen, die an die Umgebung abgegeben werden, erheblich verringert werden kann. Damit das Trägergas, das als solches nach der Verbrennung nur noch geringste Anteile Sauerstoff enthält, wiederum zur Verbrennung eingesetzt werden kann, wird ihm sauerstoffhaltiges Gas zugegeben bzw. es wird mit sauerstoffhaltigem Gas angereichert. Im Ergebnis weist das Verbrennungsgas damit eine andere Zusammensetzung auf als die übliche Zusammensetzung der Luft mit einem Stickstoffanteil von ca. 78 %. Durch den Einsatz des sauerstoffangereicherten Trägergases als Verbrennungsgas wird im Ergebnis der Stickstoffanteil zugunsten des Trägergases im Verbrennungsgas verringert.

Es wird also vom Stand der Technik abgewichen, da es erfindungsgemäß nicht vorgesehen ist, das Rauchgas als solches zu rezirkulieren, sondern lediglich ausgewählte Trägergase in den Feuerraum zurückzuführen. Dies hat wesentliche Vorteile gegenüber der Rückführung des gesamten Rauchgasstroms. Zum einen ist im Rauchgas stets Wasserdampf enthalten, der zu einer Verschiebung des thermodynamischen Gleichgewichtes der Verbrennungsreaktionen führt und den Umsatz der Verbrennungsreaktion negativ beeinflußt. Darüber hinaus sind im Rauchgas Schadgaskomponenten enthalten, durch die die Standzeit der Heizungsanlage, insbesondere durch Korrosion des Heizungskessels und der nachgeschalteten Anlagenteile, verringert. Diesen Nachteilen wird durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Heizungsanlage abgeholfen, da es erfindungsgemäß lediglich vorgesehen ist, ausgewählte Trägergaskomponenten aus dem Rauchgasstrom zurückzugewinnen und nach der Vermischung mit einem sauerstoffhaltigen Gas der Heizkesseleinrichtung zuzuführen.

Im Hinblick auf eine weitestgehend vollständige Vermeidung von NO_x in Abgas ist es als optimal anzusehen, den Anteil von Stickstoff im Verbrennungsgas vollständig durch Trägergas zu ersetzen. Die Verwendung des Trägergases an sich in Verbindung mit Sauerstoff ist deshalb erforderlich, da die Zuführung von reinem Sauerstoff als Verbrennungsgas die Gefahr einer Explosion in der Heizkesseleinrichtung in sich birgt.

Besonders geeignet als Trägergas ist insbesondere Kohlendioxid (CO₂) oder ein Inertgas, insbesondere ein Edelgas. Die Verwendung von CO₂ als Träger- gas ist deshalb besonders günstig, da CO₂ bei der Verbrennung des Brennstoffs in der Heizkesseleinrichtung ohnehin entsteht und bereits kurze Zeit nach dem Start der erfindungsgemäßen Heizungsanlage im Überschuß vorliegt. Bei Verwendung eines Edelgases als Trägergas bietet sich insbesondere Argon an und zwar deshalb, da Argon ein natürlicher Bestandteil der Luft ist und aus der Luft gewonnen werden kann. Im übrigen versteht es sich, daß das Trägergas nicht ausschließlich aus CO₂ oder aber Inertgas bestehen muß. Es ist hinreichend, wenn das Trägergas einen überwiegenden Anteil an CO₂ oder Inertgas aufweist. Allerdings versteht es sich, daß auch andere Gase oder Gasgemische als CO₂ oder den vorgenannten Edelgasen als Trägergas verwendet werden können. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Argon, liegt in dem erhöhten Anteil Argon, der bei er Sauerstoffgewinnung über das Adsorptionsverfahren mit anfällt. Der Argonanteil liegt bei etwa 5 % des gewonnenen Sauerstoffes.

Grundsätzlich ist es möglich, das Trägergas mit jeder beliebigen Einrichtung, die die Rückgewinnung aus dem Rauchgas ermöglicht, wiederzugewinnen. Bevorzugt wird das Trägergas aber mittels Adsorption aus dem Rauchgas zurückgewonnen. Konstruktiv weist die Rückgewinnungseinrichtung hierzu eine Adsorptionseinrichtung mit wenigstens einem ein Adsorptionsmittel aufweisenden Adsorber auf. Das Trägergas kann hierbei je nach Art des Gases durch das Adsorptionsmittel hindurchgeführt oder aber adsorbiert und durch anschließende Desorption gewonnen werden. Um die Adsorption korrekt durchführen zu können, weist die Rückgewinnungseinrichtung einen vorgeschalteten Verdichter auf, über den die Rauchgase vor der Zuführung zur Adsorptionseinrichtung verdichtet werden.

Die bei der Adsorption vom Rauchgas abgetrennten Schadgase sowie gegebenenfalls überschüssiges Trägergas - insbesondere im Falle der Verwendung von CO₂ als Trägergas - wird an die Umgebung vorzugsweise über den Kamin abgegeben. Hierzu ist eine entsprechende, vorzugsweise in den Kamin mündende Ablaßleitung der Adsorptionseinrichtung vorgesehen.

Um sicherzustellen, daß stets ein hinreichender Anteil an Trägergas vorhanden ist, um die erforderliche Zusammensetzung des Verbrennungsgases zu gewährleisten, wird das Trägergas nach der Rückgewinnung gespeichert bzw. gepuffert. Konstruktiv ist der Rückgewirmungseimichtung hierzu ein Speicher/Puffer für Trägergas nachgeordnet, der wiederum mit der Mischkammer verbunden ist.

Als sauerstoffhaltiges Gas, mit dem das Trägergas angereichert wird, wird ins- besondere reiner Sauerstoff und/oder Luft und/oder sauerstoffangereicherte Luft verwendet. Der Vorteil der Verwendung reinen Sauerstoffs liegt darin, daß in diesem Falle keine weiteren Schadgase enthalten sind. Der Vorteil der Verwendung von Luft liegt darin, daß diese ohne weiteres angesaugt und der Mischkammer zugeführt werden kann, ohne daß weitere Einrichtungen er- forderlich wären. Der Vorteil der Verwendung sauerstoffangereicherter Luft liegt darin, daß die Erhöhung des Sauerstoffanteils in der Luft mit einer Verringerung des Stickstoffanteils einhergeht, wodurch der mögliche NO_x-Anteil, der bei der Verbrennung entstehen kann, verringert wird.

Zur Herstellung sauerstoffangereicherter Luft eignet sich ebenfalls die Adsorptionstechnik, bei der der Luft Stickstoff zumindest teilweise entzogen wird. Konstruktiv ist in diesem Zusammenhang eine Adso tionseinrichtung zur Abtrennung von Stickstoff und zur Gewinnung von Sauerstoff vorgesehen, die wenigstens einen Adsorber mit einem stickstoffadsorbierenden Ad- soφtionsmittel aufweist. Der über die Adsoφtionseinrichtung abgetrennte Stickstoff kann über eine entsprechende, beispielsweise in den Kamin mündende Ablaßleitung der Adsoφtionseinrichtung an die Umgebung abgegeben werden.

Zum korrekten Betrieb der Adsoφtionseinrichtung ist, wie dies bereits vorab beschrieben worden ist, der Adsoφtionseinrichtung ein Verdichter vor- und ein Speicher zur Speicherung/Pufferung der sauerstoffangereicherten Luft nachgeschaltet. Der Speicher ist dann mit der Mischkammer verbunden. Es darf allerdings darauf hingewiesen werden, daß statt einer Adsoφtionsein- richtung auch andere Sauerstoffgewinnungseinrichtungen verwendet werden können.

Mit der Mischkammer kann weiterhin als Alternative zur Adsoφtionseinrichtung oder aber auch in Kombination dazu ein austauschbarer Sauerstoffspei- eher verbunden sein. Weiterhin kann mit der Mischkammer eine Zufuhrleitung zur Zuführung von Luft verbunden sein. Diese Leitung kann mit einem separaten Verdichter oder aber mit dem Verdichter der Adsoφtionseinrichtung verbunden sein.

Wird als Trägergas nicht CO₂ verwendet, bietet es sich an, einen austausch- baren Trägergasspeicher zur Zuführung von Trägergas vorzusehen. Der austauschbare Trägergasspeicher ist dann ebenfalls mit der Mischkammer verbunden. Über den Trägergasspeicher ist es möglich, Trägergasverluste auszugleichen bzw. bereits zum Anfahren der Anlage den für die jeweilige Verbrennung optimalen Anteil an Trägergas im Verbrennungsgasgemisch sicher- zustellen.

Um die Verbrennung optimal steuern oder regeln zu können, ist vorteilhafterweise eine Einrichtung zur Steuerung oder Regelung der Zusammensetzung des Trägergases vorgesehen, fm Falle der Regelung wird der Sauer- stoffgehalt und/oder der Gehalt an Trägergas im Verbrennungsgas gemessen und bedarfsweise Sauerstoff und/oder (sauerstoffangereicherte) Luft und/ oder Trägergas nachdosiert. Konstruktiv sind in dieser Hinsicht an den einzelnen, vorgenannten Einrichtungen oder aber an den jeweiligen Zuführleitungen zur Mischkammer von der Einrichtung zur Steuerung oder Regelung angesteuerte Ventile vorgesehen, über die die zugeführte Menge an sauerstoffangereicherter Luft, reinem Sauerstoff, (sauerstoffangereicherter) Luft und/oder Trägergas gesteuert wird. Die Messung der Zusammensetzung des sauerstoffangereicherten Trägergases und/oder Bestandteilen davon erfolgt vorzugsweise in der Mischkammer oder aber in der Zuführleitung von der Mischkammer zur Heizkesseleinrichtung.

Verfahrenstechnisch ist es weiterhin günstig, der Rückgewirmungseimichtung einen Wärmetauscher und/oder einen Kondensator vorzuschalten, um einerseits dem Rauchgas Wärmeenergie zu entziehen, die ansonsten unge- nutzt an die Umgebung abgegeben würde, und um andererseits Kondensat abzuscheiden. Die dem Rauchgas entzogene Wärmeenergie wird bevorzugt dazu verwendet, das Verbrennungsgas aufzuheizen, was zu einer weiteren Verbesserung des Wirkungsgrades des erfinderischen Verfahrens führt.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen Heizungsanlage,

Fig. 2 eine schematische Ansicht einer anderen Ausfuhrungsform einer erfmdungsgemäßen Heizungsanlage,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Heizkesseleinrichtung der erfmdungsgemäßen Heizungsanlage,

Fig. 4 eine Ansicht von Brennkammern der Heizkesseleinrichtung und

Fig. 5 eine Ansicht einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Heizkesseleinrichtung.

In den Fig. 1 und 2 ist schematisch eine Heizungsanlage 1 dargestellt. Bei der Heizungsanlage 1 kann es sich sowohl um eine Hausheizungsanlage mit einer maximalen Leistung von 1 MW handeln, die zur Beheizung von Gebäuden und zur Warmwasseraufbereitung dient, aber auch um eine sogenannte Indu- strie-Heizungsanlage mit einer maximalen Leistung von mehr als 1 MW. Die Heizungsanlage 1 weist eine Heizkesseleinrichtung 2 auf, auf die in Verbindung mit den Fig. 3 bis 5 weiter unten noch näher eingegangen wird.

Wesentlich bei der erfmdungsgemäßen Heizungsanlage 1 ist nun, daß eine der Heizkesseleinrichtung 2 nachgeordnete Rückgewinnungseinrichtung 3 zur Rückgewinnung eines im Kreislauf geführten Trägergases aus dem bei der Verbrennung entstehenden Rauchgas vorgesehen ist. Die Rauchgase werden also vom Heizkessel 2 über Rauchgasführungen der Rückgewinnungseinrichtung 3 zugeführt. Weiterhin ist eine der Rückgewinnungsein- richtung 3 nachgeordnete Mischkammer 4 vorgesehen, in der das Trägergas und ein zugeführtes sauerstoffhaltiges Gas vermischt werden. Schließlich ist vorgesehen, daß die Mischkammer 4 zur Zuführung des sauerstoffhaltigen Trägergases zur Verbrennung mit der Heizkesseleinrichtung 2 über eine entsprechende Leitung 5 verbunden ist. Die Rückgewinnungseinrichrung 3 weist vorliegend eine Adsoφtionseinrichtung auf. Die Rückgewinnung erfolgt also über die Adsoφtionstechnik. Hierzu weist die Adsoφtionseinrichtung vorliegend zwei im Wechsel betriebene Adsorber auf, die jeweils ein Adsoφtionsmittel enthalten, das zur Rück- gewinnung des Trägergases geeignet ist. Der Rückgewirmungseimichtung 3 vorgeschaltet ist ein Verdichter 6. Der Verdichter 6 und die Rückgewinnungseinrichtung 3 sind über eine Leitung 7 miteinander verbunden. Die Rückgewirmungseimichtung 3 weist im übrigen eine Ablaßleitung 8 zum Ablassen von bei der Rückgewinnung des Trägergases abgetrennten Gasen auf. Diese Gase werden vorzugsweise über den nicht dargestellten Kamin der Heizungsanlage 1 abgeführt.

Der Rückgewinnungseinrichtung 3 nachgeordnet ist vorliegend ein Speicher 9, bei dem es sich um einen Puffer für das gewonnene Trägergas handelt. Die Rückgewinnungseinrichtung 3 und der Speicher 9 sind über eine Leitung 10 miteinander verbunden. Der Speicher 9 wiederum ist mit der Mischkammer 4 über eine Leitung 11 verbunden.

Weiterhin ist die Mischkammer 4 mit einer Einrichtung 12 zur Abtrennung von Stickstoff und gleichzeitiger Anreicherung von Sauerstoff verbunden. Die Eimichtung 12 weist eine Adsoφtionseinrichtung 13 auf, die vorliegend wiederum mit zwei Adsorbern versehen ist, die im Wechsel betrieben werden und jeweils ein stickstoffadsorbierendes Adsoφtionsmittel aufweisen. Der adsorbierte Stickstoff wird nach der Desoφtion über eine Ablaßleitung 14 ins Freie abgeführt. Vorzugsweise mündet die Leitung 14 in den Kamin. Der Adsoφtionseimichtung 13 nachgeschaltet ist ein der Pufferang dienender Speicher 15 für Sauerstoff bzw. sauerstoffangereicherte Luft. Die Adsoφtionseinrichtung 13 und der Speicher 15 sind dabei über eine Leitung 16 miteinander verbunden. Weiterhin ist der Speicher 15 über eine Leitung 17 mit der Mischkammer 4 verbunden.

Die Einrichtung 12 weist weiterhin einen Verdichter 18 auf, der der Adsoφtionseinrichtung 13 vorgeschaltet und mit dieser über eine Leitung 19 verbunden ist. Der Verdichter 18 dient zum Ansaugen von Luft, was mit dem Pfeil A angedeutet ist und zur Erzeugung des zur Adsoφtion notwendigen Druckes. Vorliegend ist der Verdichter 18 über eine Leitung 20 auch direkt mit der Mischkammer 4 verbunden. Hierdurch ist es möglich, der Mischkammer "Umgebungs-Luft", also Luft normaler oder üblicher Zusammensetzung zuzu- führen. Es darf darauf hingewiesen werden, daß es sich versteht, daß die Leitung 20 auch in eine der Leitungen 16 oder 17 oder aber den Speicher 15 münden kann.

Die Fig. 1 und 2 unterscheiden sich dahingehend, daß bei der Ausführungs- form gemäß Fig. 2 eine Einrichtung 12 zur Abtrennung von Stickstoff und gleichzeitiger Anreicherung von Sauerstoff nicht vorgesehen ist. Statt dessen ist ein austauschbarer Sauerstoffspeicher 21 vorgesehen, der über eine Leitung 22 mit der Mischkammer 4 verbunden ist. Weiterhin ist ein Verdichter 23 vorgesehen, der über eine Leitung 24 mit der Mischkammer 4 verbunden ist. Über den Verdichter 23 wird "Umgebungs-Luft" angesaugt und der Mischkammer 4 zugeführt. Es darf darauf hingewiesen werden, daß es grundsätzlich auch möglich ist, entweder nur einen Verdichter oder aber nur einen Sauerstoffspeicher vorzusehen. Bedarfsweise ist es auch mögüch, den Sauerstoffspeicher 21 bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform vorzusehen.

Bei beiden Ausführungsformen ist es im übrigen so, daß ein austauschbarer Trägergasspeicher 25 vorgesehen ist, der über eine Leitung 26 mit der Mischkammer 4 verbunden ist. Es darf darauf hingewiesen, daß der Trägergasspeicher 25 nicht in jedem Falle unbedingt erforderlich ist. Bei Verwen- düng von CO₂ ist ein Trägergasspeicher an sich nicht erforderlich. Bei Verwendung von Argon als Trägergas ist die Verwendung eines Trägergasspeichers anzuraten. Zwar ist Argon als natürlicher Bestandteil in der Luft enthalten, jedoch nur zu einem sehr geringen Anteil. Die Anreicherung von Argon im Trägergas nach dem Anfahren der erfindungsgemäßen Heizungsanlage 1 ist je nach Wirkungsgrad der Rückgewirmungseimichtung 3 möglich, allerdings dauert es vergleichsweise lange, bis das Trägergas einen überwiegenden Anteil an Argon aufweist. In Fällen, bei denen der Hauptbestandteil des Trägergases ein solches Gas ist, das weder in der Luft enthalten ist, noch bei der Verbrennung entsteht, ist ein Trägergasspeicher unbedingt erforderlich, um dem Verbrennungskreislauf überhaupt das betreffende Gas zuzuführen und Verluste auszugleichen. Weiterhin weist die Heizungsanlage 1 eine Einrichtung 27 zur Regelung der Zusammensetzung des sauerstoffangereicherten Trägergases bzw. des Verbrennungsgases auf. Hierzu ist die Einrichtung 27 mit Ventilen 28 gekoppelt, die nicht nur öffnen und schließen, sondern über die auch die Durchflußmen- ge eingestellt werden kann. Die Ventile 28 befinden sich dabei jeweils in den zur Mischkammer 4 führenden Leitungen.

Die Einrichtung 27 zur Regelung weist weiterhin eine Meßeinrichtung 29 auf, die zur Messung der Zusammensetzung des sauerstoffangereicherten Trägergases bzw. von Bestandteilen davon dient. Die Meßeinrichtung 29 mißt dabei die Zusammensetzung in einem Bereich der Mischkammer 4, in dem bereits eine hinreichende Mischung der zugeführten Gase vorgenommen worden ist und sich hinsichtlich des Trägergases konstante Verhältnisse bezüglich der Zusammensetzung ergeben. Es ist im übrigen allerdings auch oh- ne weiteres möglich, in der Leitung 5 zu messen.

Die Mischkammer 4 ist im übrigen derart ausgebildet, daß sich darin eine intensive Vermischung der einzelnen zugeführten Bestandteile ergibt.

Im Kreislaufsystem der erfindungsgemäßen Heizungsanlage 1 sind im übrigen zwischen der Heizkesseleinrichtung 2 und dem Verdichter 6 ein Wärmetauscher 30 und ein Kondensatabscheider 31 vorgesehen. Der Wärmetauscher 30 ist dabei, was im einzelnen nicht dargestellt ist, mit der Mischkammer 4 und/oder der Leitung 5 zur Zuführung des Verbrennungsgases zur Heizkes- seleinrichtung 2 gekoppelt, um das Verbrennungsgas vorzuwärmen.

In Fig. 3 ist schematisch eine mögliche Ausgestaltung der Heizkesseleinrichtung 2 dargestellt. Die dargestellte Heizkesseleinrichtung 2 weist vorliegend einen Heizkessel 32 auf, in dem eine Mehrzahl von Brennkammern 33 vorge- sehen sind. In jede der Brennkammern 33 ist ein Brenner 34 gerichtet. Entscheidend ist in diesem Zusammenhang, daß der Durchmesser der einzelnen Brennkammern 33 jeweils kleiner 30 cm ist, und zwar unabhängig von der Leistung der Heizungsanlage 1 bzw. der Heizkesseleinrichtung 2 ist es so, daß der Durchmesser der einzelnen Brennkammern 33 jeweils kleiner 30 cm ist. Bei einer Hausheizungsanlage ist es zur Erzielung einer besonders hohen Heizflächenbelastung und für einen günstigen Wirkungsgrad vorteilhaft, wenn die Querschnittsfläche jeder Brennkammer 33 nicht größer 700 cm² , vorzugsweise nicht größer als 100 cm² ist.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform sind in durchgezogenen Li- nien sechs Brennkammern 33 vorgesehen, während bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform zehn Brennkammern 33 vorgesehen sind. Es ist allerdings daraufhinzuweisen, daß die erfindungsgemäße Ausgestaltung weder auf sechs noch auf zehn Brennkammern 33 beschränkt ist. Es kann jede beliebige Anzahl von Brennkammern 33 verwendet werden. Die Anzahl der Brennkammern 33 hängt vom Wärmebedarf bzw. der zur erbringenden Heizleistung der Heizungsanlage 1 ab. Im übrigen versteht es sich, daß die Heizkesseleinrichtung 2 eine der Anzahl der Brennkammern 33 entsprechende Anzahl von Brennern 34 aufweist, also jeder Brennkammer 33 ein Brenner 34 zugeordnet ist. Wie sich im übrigen insbesondere aus den Fig. 4 und 5 ergibt, sind die einzelnen Brennkammern 33 rohrförmig ausgebildet und untereinander gleich.

Nicht dargestellt ist, daß die Brennkammern 33 auch eine unterschiedliche Größe bzw. einen unterschiedlichen Durchmesser haben können. Dies bietet die Möglichkeit, sogenannte Grund-, Mittel- und Spitzenlastbrenner mit jeweils unterschiedlichen Brennkammergrößen mit unterschiedlichen Wärmeleistungen vorzusehen.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausfuhrungsform sind die einzelnen Brenn- kammern 33 nebeneinander in Ebenen in einem Heizkessel 32 angeordnet. Hierbei sind in der untersten Ebene sechs Brennkammern 33 vorgesehen, während in der darüberliegenden Ebene fünf weitere, gestrichelt angedeutete Brennkammern 33 vorgesehen sind. Erkennbar sind die Brennkammern 33 lediglich im unteren Bereich der Heizkesseleinrichtung 32 angeordnet. Dem- gegenüber sind die Brennkammern 33 bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform ringförmig im Heizkessel 32 angeordnet. Es versteht sich, daß auch jede andere beliebige Anordnung der Brennkammern 33 innerhalb des Heizkessels 32 möglich ist. Auch die Form des Heizkessels 32 ist nicht auf die dargestellte Form beschränkt. Nicht dargestellt ist, daß der Heizungsanlage 1 eine Steuereinrichtung ggf. mit zugehörigen Sensoren zugeordnet ist, die wärmebedarfsabhängig einzelne Brenner 34 automatisch zu- oder abschaltet. Bei der Steuereinrichtung kann es sich um die Einrichtung 27 aus den Fig. 1 und 2 handeln. Über die vorge- nannten Sensoren werden bedarfsweise die Außen-, Rauminnen-, Kaltwasser- und Warmwassertemperatur erfaßt.

Im einzelnen nicht dargestellt ist, daß sich im Heizkessel 32 außerhalb der einzelnen Brennkammern 33 Wasser als Wärmeübertragungsmedium befindet. Auch die Zu- und Abläufe des Wassers vom Heizkessels 32 sind nicht dargestellt, ebenso wenig wie der konkrete Verlauf der in Rauchgaszüge übergehenden Brennkammern 33. In jedem Fall ist es aber so, daß die bei der Verbrennung in den Brennkammern 33 entstehenden Rauchgase beim Rauch- gassammelkanal 35 zugeführt werden, der zum Kondensator 30 führt.

Durch die vorgenannte Ausgestaltung mit der Realisierung einer Mehrzahl von Brennkammern mit jeweils vergleichsweise kleiner Brennkammerober- fläche ergeben sich eine Reihe von zum Teil wesentlichen Vorteilen. Ein wesentlicher Vorteil vom Übergang der üblichen Einflammentechnik zur er- findungsgemäßen Vielflammentechnik mit vergleichsweise kleinen Brennkammern liegt zunächst einmal darin, daß eine Herabsetzung der Flammspitzentemperaturen ermöglicht wird, da die Flamme von der Brennkammer wesentlich dichter umgeben ist. Bei Verwendung einer Mehrzahl kleinerer Brennkammern mit gleicher bzw. auch verschiedener unterschiedlicher In- nenquerschnittsflächen ist die Gesamtoberfläche aller Brennkammern zur Wärmeübertragung bei gleicher Heizleistung viel kleiner als bei der Einflammentechnik. Es ergibt sich damit eine Reduzierung des bekannten Brennkammeroberflächenverhältnisses zur Flammenoberfläche, so daß sich eine sehr viel höhere Heizflächenbelastung als beim Stand der Technik ergibt. Aufgrund der Verringerung der Innenquerschnittsfläche der einzelnen Brennkammern treten bei der erfmdungsgemäßen Hausheizungsanlage weitaus weniger Toträume auf, die üblicherweise nur zu geringen Teilen an der Wärmeübertragung im Stahlungsbereich beteiligt sind. Der Wärmeübergang ist bei der Mehrflammentechnik damit insgesamt besser als beim Stand der Technik, was zu einer Wirkungsgraderhöhung führt. Durch mehrere kleine Flammen in jeweils kleinen Brennkammern kommt es zu einer direkteren Wärmeübertragung im Strahlungsbereich. Die Flammenumgebung ist insgesamt kälter, so daß sich aufgrund der so erzeugten "kalten Flammen" die NO_x-Emission reduziert.

Der erhöhte Wirkungsgrad läßt sich, wie zuvor bereits ausgeführt worden ist, bei verringerten Flammspitzentemperaturen erreichen. Dies führt im Ergebnis außerdem dazu, daß weniger schädliche Abgase entstehen. Ein weiterer ganz wesentlicher Vorteil liegt darin, daß die Heizungsanlage eine schnelle und zügige Anpassung an geänderte Temperaturen bzw. an einen geänderten Wärmebedarf erlaubt, ohne daß hierunter der Wirkungsgrad der Heizungsanlage zu sehr leidet. Die vorgenannte Ausgestaltung gestattet es nämlich, daß in Abhängigkeit des Wärmebedarfs einzelne Brenner zu- oder abgeschaltet werden können. Der jeweilige geforderte Wärmebedarf hängt einerseits von den Außentemperaturen, der Wärmedämmung des Hauses und der wärme- führenden Leitungen, dem Warmwasserbedarf und den zu beheizenden Räumen ab. Andererseits hängt der Wärmebedarf aber auch beispielsweise bei einem Mehrfamilienhaus davon ab, ob nur einzelne oder aber beispielsweise alle Wohnungen eines Mehrfamilienhauses beheizt oder mit Warmwasser versorgt werden. Die erfindungsgemäße Heizungsanlage ist mit einer Mehrzahl von kleinen Brennkammern erheblich flexibler und im übrigen erheblich wirtschaftlicher zu betreiben als eine Heizungsanlage mit nur einer großen Brennkammer, da das Mehrbrennkammeφrinzip den individuellen Wärmebedarf durch Zu- und Abschalten einzelner Brenner am wirtschaftlichsten abdecken kann.

Im Ergebnis stellt die Erfindung damit eine Heizungsanlage mit erhöhtem Wirkungsgrad zur Verfügung, die über den gesamten Lastbereich individuell anpaßbar und langfristig flexibel ist. Die Anlage ist dabei so konzipiert, daß auch sämtliche Veränderungen am Haus wie Wärmedämmung, Anbauten und dergleichen durch geringfügige Änderungen an der Heizungsanlage, der Wärmebedarfsänderung immer Wirkungsgradmäßig am wirtschaftlichsten angepaßt werden können.

Wie zuvor bereits ausgeführt worden ist, bietet die erfindungsgemäße Ausge- staltung schließlich den Vorteil, daß einzelne Brenner wärmebedarfsabhängig zu- oder abgeschaltet werden können. Um eine automatische Zu- oder Ab- schaltung zu gewährleisten, ist die vorgenannte Steuereinrichtung vorgesehen. Die Steuereimichtung kann dabei eine feste Programmierung aufweisen oder aber freiprogrammierbar sein, so daß der Betrieb der Hausheizungsanlage bedarfsweise vor Ort durch den Benutzer selbst eingestellt werden kann.

Es darf darauf hingewiesen werden, daß die Verwendung einer Mehrzahl kleinerer Brennkammern 33 ausgesprochen positiv ist, daß es jedoch grundsätzlich auch möglich ist, in der Heizkesseleinrichtung 2 lediglich eine Brennkammer 33 mit einem einzigen Brenner vorzusehen, um den Wärmebedarf von Niedrigenergiehäusern damit wirtschaftlicher als bisher abzudecken.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der Heizungsanlage 1 läuft nun derart ab, daß der Heizkesseleinrichtung 2 einerseits Brennstoff B und andererseits das Verbrennungsgas über die Leitung 5 zugeführt wird. In der Heizkesseleinrichtung 2 wird dann der Brennstoff B verbrannt.

Wichtig ist in diesem Zusammenhang, daß aus den bei der Verbrennung des Brennstoffs B entstehenden Rauchgasen ein im Kreislauf geführtes Trägergas in der Rückgewinnungseinrichtung 3 rückgewonnen wird, daß dem Trä- gergas ein sauerstoffhaltiges Gas zugeben und daß das sauerstoffhaltige Trägergas als Verbrennungsgas der Heizkesseleinrichtung 2 wiederum zugeführt wird. Bei dem Trägergas kann es sich um CO₂ oder aber ein Inertgas handeln. Auch ein einen überwiegenden Anteil an CO₂ aufweisendes Gas oder ein einen überwiegenden Anteil an Inertgas aufweisendes Gas eignet sich als Trägergas. Bei Verwendung eines Inertgases sind insbesondere Edelgase besonders geeignet. Bietet sich wiederum die Verwendung von Argon an, da Argon natürlicher Bestandteil der Luft ist.

Vor der Rückgewinnung in der Rückgewirmungseimichtung 3 werden die Rauchgase dem Wärmetauscher 30 und dem Kondensator 31 zugeführt. Nach Abkühlung der Rauchgase werden diese über den Verdichter 6 verdichtet und zur Rückgewinnung des Trägergases der Rückgewinnungseinrichtung 3 zugeführt. Bei Verwendung von CO₂ als Trägergas wird dieses durch Adsoφtion gewonnen. Überschüssiges CO₂ und ggf. Überschüssige Rauchgase werden über die Leitung 8 in den Ka in abgeführt. Bei Ver- wendung von Argon als Trägergas wird dieses dadurch rückgewonnen, daß die übrigen Bestandteile der Rauchgase adsorbiert werden.

Das rückgewonnene Trägergas wird dann dem Speicher 9 zugeführt. Es darf allerdings darauf hingewiesen werden, daß die Realisierung des Speichers 9 nicht unbedingt erforderlich ist. Anschließend wird das Trägergas der Mischkammer 4 zugeführt, der gleichzeitig auch Sauerstoff in Fonn von Luft und/oder sauerstoffangereicherter Luft und/oder reinem Sauerstoff zugeführt wird. Die für die Verbrennung erforderliche Zusammensetzung des Verbren- nungsgases wird dabei über die Eimichtung 27 gesteuert oder geregelt, die bedarfsweise die erforderlichen Volumenströme regelt. Die Regelung setzt hierbei die vorangegangene Messung über die Meßeinrichtung 29 voraus. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform wird sauerstoffangereicherte Luft dadurch gewonnen, daß über den Verdichter 18 Luft angesaugt, ver- dichtet und der Adsoφtionseinrichtung 13 zugeführt wird. In der Adsoφti- onseimichtung 13 wird der Luft Stickstoff durch Adsoφtion entzogen. Dieser Stickstoff wird dann über die Leitung 14 in den Kamin abgeführt. Diese sauerstoffangereicherte Luft wird im Speicher 15 als Puffer gespeichert. Gleichzeitig ist es möglich, über den Verdichter 18 der Mischkammer 4 unmit- telbar Luft zuzuführen.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform kann der Mischkammer 4 über den Sauerstoffspeicher 21 reiner Sauerstoff sowie über den Verdichter 23 Luft zugeführt werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betreiben einer Heizungsanlage (1), wobei in einer Heizkesseleinrichtung (2) ein Brennstoff (B) verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß aus den bei der Verbrennung des Brennstoffs (B) entstehenden Rauchgasen ein im Kreislauf geführtes Trägergas rückgewonnen wird, daß dem Trägergas ein sauerstoffhaltiges Gas zugegeben wird und daß das sauerstoffhaltige Trägergas als Verbrennungsgas der Heizkesseleinrichtung (2) zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägergas CO₂ oder ein einen überwiegenden Anteil an CO₂ aufweisendes Gas oder ein Inertgas, insbesondere ein Edelgas, vorzugsweise Argon, oder ein einen überwiegenden Anteil an Inertgas aufweisendes Gas verwendet wird.

3. Verfahren nach Ansprach 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägergas mittels einer Rückgewinnungseinrichtung (3) aus den Rauchgasen rückgewonnen wird und daß, vorzugsweise, die Rauchgase vor der Zuführung zur Rückgewinnungseinrichtung (3) verdichtet werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Rauchgas abgetrennten Schadgase und/oder überschüssiges Trägergas an die Umgebung abgegeben werden und daß, vorzugsweise, das Trägergas nach der Rückgewinnung gespeichert wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägergas mit insbesondere reinem Sauerstoff und/oder mit Luft und/oder mit sauerstoffangereicherter Luft gemischt bzw. angereichert wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die sauerstoffangereicherte Luft zumindest teilweise durch Ad- soφtion von Stickstoff aus der Umgebungsluft erzeugt wird, daß, vorzugsweise, der abgetrennte Stickstoff an die Umgebung abgegeben wird und daß, vorzugsweise, die sauerstoffangereicherte Luft nach der Adsoφtion gespeichert wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauchgase vor der Rückgewinnung des Trägergases einem Wärmetauscher (30) und/oder einem Kondensator (31) zugeführt werden und daß, vorzugsweise, die über den Wärmetauscher (30) gewonnene Wärmeenergie dem Verbrennungsgas und/oder dem Trägergas und/oder dem sauerstoffhaltigen Gas zugeführt wird.

8. Heizungsanlage (1) mit einer Heizkesseleinrichtung (2), dadurch gekennzeichnet, daß eine der Heizkesseleinrichtung (2) nachgeordnete Rückgewinnungseinrichtung (3) zur Rückgewinnung eines im Kreislauf geführten Trägergases aus dem bei der Verbrennung entstehenden Rauchgas vorgesehen ist, daß eine der Rückgewinnungseinrichtung (3) nachgeordnete Mischkammer (4) vorgesehen ist, in der das Trägergas und ein zugeführtes sauerstoffhaltiges Gas vermischt werden, und daß die Mischkammer (4) zur Zuführung des sauerstoffhaltigen Trägergases zur Verbrennung mit der Heizkesseleinrichtung (2) verbunden ist.

9. Heizungsanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückgewinnungseinrichtung (3) eine Adsoφtionseinrichtung mit wenigstens einem ein Adsoφtionsmittel aufweisenden Adsorber aufweist.

10. Heizungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückgewinnungseinrichtung (3) eine Ablaßleitung (8) zum Ablassen der abgetrennten und der überschüssigen Rauchgase aufweist, daß, vorzugsweise, daß der Rückgewirmungseimichtung (3) ein Speicher (9) für Trägergas nachgeordnet ist und daß, vorzugsweise, der Speicher (9) mit der Mischkammer (4) verbunden ist.

11. Heizungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammer (4) mit einer Einrichtung (12) zur Abtrennung von Stickstoff und gleichzeitiger Anreicherung von Sauerstoff und/oder einem austauschbaren Sauerstoffspeicher (21) und/oder einer Einrichtung zur Zuführung von Luft verbunden ist.

12. Heizungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (12) zur Abtrennung von Stickstoff und zur Gewinnung von Sauerstoff eine Adsoφtionseinrichtung (13) aufweist, die wenigstens einen Adsorber mit einem stickstoffadsorbierenden Adsoφtionsmittel ausweist, daß, vorzugsweise, die Adsoφtionseinrichtung (13) eine Ablaßeinrichtung (14) zum Ablassen des abgetrennten Stickstoffs aufweist und daß, vorzugsweise, die Einrichtung (12) zur Abtrennung von Stickstoff und zur Gewinnung von Sauerstoff einen der Adsoφtionseinrichtung (13) nachgeschalteten Speicher (15) aufweist und daß der Speicher (15) mit der Mischkammer (4) verbunden ist.

13. Heizungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein austauschbarer Trägergasspeicher (25) zur Zufüh- rang von Trägergas vorgesehen ist, daß, vorzugsweise, der austauschbare Trägergasspeicher (25) mit der Mischkammer (4) verbunden ist und daß, vorzugsweise, eine Einrichtung (27) zur Steuerung oder Regelung der Zusammensetzung des sauerstoffangereicherten Trägergases vorgesehen ist.

14. Heizungs anläge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (27) zur Steuerung oder Regelung mit wenigstens einem der Eimichtung (12) zur Abtrennung von Stickstoff und gleichzeitiger Gewinnung von Sauerstoff und/oder dem austauschbaren Sauerstoffspeicher (21) und oder der Einrichtung zur Zuführung von Luft und/oder dem Speicher (9) für Trägergas und/oder dem austauschbaren Trägergasspeicher (25) zugeordneten Ventil (28) gekoppelt ist und daß, vorzugsweise, die Einrichtung (27) zur Steuerung oder Regelung eine Meßeinrichtung (29) zur Messung der Zusammensetzung des sauerstoffangereicherten Trägergases und oder Bestandteilen davon aufweist und daß, vorzugsweise, die Meßeinrichtung (29) die Zusammensetzung in der Mischkammer (4) und/oder einer Leitung (5) zur Zuführung des Verbrennungsgases zur Heizkesseleinrichtung (2) mißt.

15. Heizungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückgewinnungseinrichtung (3) ein Wärmetauscher

(30) und/oder ein Kondensator (31) für die Rauchgase vorgeschaltet sind/ist und daß, vorzugsweise, der Wärmetauscher (30) mit der Mischkammer (4) und/oder der Leitung (5) zur Zuführung des Verbrennungsgases zur Heizkesseleinrichtung (2) gekoppelt ist.

16. Heizungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (30) mit der Heizwasserrücklauflei- tung zur Wärmerückgewinnung aus den Rauchgasen gekoppelt ist.