WO2013057187A2 - Verfahren und vorrichtung zur fluiderwärmung durch verbrennung kohlenstoffbasierter brennstoffe - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur fluiderwärmung durch verbrennung kohlenstoffbasierter brennstoffe Download PDF

Info

Publication number
WO2013057187A2
WO2013057187A2 PCT/EP2012/070649 EP2012070649W WO2013057187A2 WO 2013057187 A2 WO2013057187 A2 WO 2013057187A2 EP 2012070649 W EP2012070649 W EP 2012070649W WO 2013057187 A2 WO2013057187 A2 WO 2013057187A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
combustion
exhaust gas
heat exchanger
combustion air
fluid
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/070649
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2013057187A3 (de
Inventor
Norbert Kuhl
Original Assignee
Norbert Kuhl
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Norbert Kuhl filed Critical Norbert Kuhl
Publication of WO2013057187A2 publication Critical patent/WO2013057187A2/de
Publication of WO2013057187A3 publication Critical patent/WO2013057187A3/de

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23K—FEEDING FUEL TO COMBUSTION APPARATUS
    • F23K1/00—Preparation of lump or pulverulent fuel in readiness for delivery to combustion apparatus
    • F23K1/04—Heating fuel prior to delivery to combustion apparatus
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F22B1/02—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers
    • F22B1/18—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22D—PREHEATING, OR ACCUMULATING PREHEATED, FEED-WATER FOR STEAM GENERATION; FEED-WATER SUPPLY FOR STEAM GENERATION; CONTROLLING WATER LEVEL FOR STEAM GENERATION; AUXILIARY DEVICES FOR PROMOTING WATER CIRCULATION WITHIN STEAM BOILERS
    • F22D1/00—Feed-water heaters, i.e. economisers or like preheaters
    • F22D1/36—Water and air preheating systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23B—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING ONLY SOLID FUEL
    • F23B80/00—Combustion apparatus characterised by means creating a distinct flow path for flue gases or for non-combusted gases given off by the fuel
    • F23B80/04—Combustion apparatus characterised by means creating a distinct flow path for flue gases or for non-combusted gases given off by the fuel by means for guiding the flow of flue gases, e.g. baffles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L15/00—Heating of air supplied for combustion
    • F23L15/04—Arrangements of recuperators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/10—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium
    • F24H1/12—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium in which the water is kept separate from the heating medium
    • F24H1/14—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium in which the water is kept separate from the heating medium by tubes, e.g. bent in serpentine form
    • F24H1/147—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium in which the water is kept separate from the heating medium by tubes, e.g. bent in serpentine form using solid fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H9/00—Details
    • F24H9/0084—Combustion air preheating
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery

Definitions

  • the invention relates to a method and apparatus for heating a fluid by combustion of carbon-based fuels.
  • the invention relates in particular to the combustion of fossil or renewable raw materials, it being possible for the device according to the invention to burn both biomass, coal, fuel oil or similar carbon-based fuels.
  • the method according to the invention and the device according to the invention are used, in particular, for industrial heat generation by obtaining heat energy or converting it into electrical energy.
  • the method according to the invention and the device according to the invention can also be used for firing, for example, waste incineration plants or blast furnaces.
  • use in the domestic sector for hot water, industrial water or heating water heating is also included in the concept of the invention.
  • One field of application of the device according to the invention and of the method according to the invention is the production of a gaseous working fluid, in particular of steam, with which a working machine, in particular a steam engine, can be operated.
  • a gaseous working fluid in particular of steam
  • a working machine in particular a steam engine
  • Various firing and incineration plants are known from the prior art, which are not always optimally designed in their efficiency.
  • DE 000 S 00 27 948 MAZ describes a method and a device for preheating and humidifying combustion air for boiler furnaces.
  • fresh air drawn in from the environment, which is intended to serve as combustion air for the combustion is preheated by the hot exhaust gas stream and fed to the combustion.
  • the combustion temperature can be increased, whereby the firing temperature is higher than when the ambient air is fed directly to the combustion.
  • DE 696 28 280 T2 describes a fluidized bed arrangement with flow compensation, which is designed as a multi-stage combustion device with three combustion chambers, which are separated from each other by means of apertured partitions.
  • the solids flow through the three chambers is controlled by particle size.
  • the combustion material is deprived of energy by means of heat exchangers.
  • the entire device is surrounded by a separate cooling system, which can be used in one embodiment as an ash cooler.
  • the gases and solids used for combustion enter the first combustion chamber in a non-preheated state.
  • PS 36 26 933 C2 describes a device for generating a fuel and water vapor-containing, after addition of combustion air combustible gas mixture.
  • a combustion chamber both the water vapor, which is supplied as water from the outside of the device, as well as the fuel and the combustion air simultaneously preheated in parallel by the exhaust gases produced during combustion in partially common heat exchangers, or evaporated.
  • DE 33 43 024 C2 suggests allowing fresh air to flow through hollow combustion grate bars for cooling the same.
  • the cooling of the combustion grate or the combustion point has the consequence that the firing temperature decreases overall, whereby the overall efficiency of the combustion decreases and the pollutant concentration of the pollutants which are present in the exhaust gases after combustion, increases.
  • such fresh air flushing of the combustion grate entails an increased energy requirement for the firing plant, which also reduces the overall efficiency of the firing plant.
  • the object of the invention is to provide a fluid heater based on the combustion of carbon-based fuels with the highest possible overall efficiency, which ensures a minimum pollutant emissions, at the same time avoiding clinker formation or slagging of the combustion zone and the ash discharge zone. It is another object of the invention to provide a method and a fluid heater for the combustion of carbon-based fuels, whose construction is simple and robust and inexpensive, the entire system for fluid heating for maintenance should be easily accessible.
  • the aim of the invention is the most effective utilization of the heating or calorific value of carbon-based fuels for maintaining a heated, heated or vaporous fluid, in particular a working medium vapor, with which, for example, a steam engine can be operated.
  • the present object is achieved by a method according to claim 1, wherein preferred embodiments of the method are specified in the subclaims.
  • the object of the invention is also achieved by a device according to claim 8, while preferred embodiments of the device according to the invention are specified in the dependent subclaims.
  • a combustion chamber, a fuel feed into the combustion chamber, and an ash discharge device for the ash resulting from the combustion are provided in a common housing, wherein furthermore at least two exhaust gas heat exchangers are provided within the housing.
  • a first preheating stage for the combustion air to be supplied to the combustion air fresh air is supplied from the environment to the fluid heater through openings in the housing and initially past the outer walls of the combustion chamber or the combustion chamber insulation, wherein the intake combustion air is preferably within the combustion chamber insulation for its first preheating is guided along.
  • necessary for combustion combustion air can be sucked inside the housing and BrennluftzuFW decisen be supplied.
  • openings are then to be provided in the outer walls of the fluid heater housing, which allow an inflow of fresh air.
  • these openings are arranged distributed on the outer circumference of the housing, so that the incoming combustion air can heat on their way into the housing interior to the isolated components of the fluid heater.
  • the air entering from outside will pass the outer walls of the combustion chamber and / or the first exhaust gas heat exchanger, since there the highest temperatures prevail, whereby their insulation, in particular that of the combustion chamber, gives off heat to the housing interior of the fluid heater system.
  • elevated temperatures occur in the housing interior of the fluid heater compared with the ambient temperature. This heat is utilized by the method according to the invention for the first preheating of the combustion air intended for combustion.
  • the first heat exchanger is provided for the heating and / or the evaporation of a fluid, such as service or industrial water or water, in particular for steam generation.
  • the first exhaust gas heat exchanger is flowed through with the coming out of the combustion chamber hot exhaust gases as a heat-emitting medium. That in the first heat exchanger As a heat-absorbing medium circulating fluid, such as water, comes with the heat-emitting hot exhaust gases not in touch.
  • the fluid to be heated and / or vaporized can be conducted in a coiled tubing which, for example, describes a helical line.
  • the hot exhaust gas is preferably conducted against current along the tube axis and can thus effectively transfer its heat to the working medium, ie the fluid.
  • the two media flowing in the first heat exchanger are guided substantially vertically or horizontally, it is only important that a good heat transfer from the hot exhaust gases to the fluid is ensured.
  • the hot exhaust gases and the fluid can flow in countercurrent operation through the first heat exchanger, since in this case the heat differences between the two media along the flow path are greatest and thus a high heat transfer can be accomplished.
  • the above statements apply analogously to straight tube heat exchangers and plate heat exchangers.
  • the combustion chamber of the fluid heater is surrounded by a housing having outer walls forming, for example, a closed container or the like. From the idea of the invention, of course, cubic and cylindrical shapes are included.
  • Insulation is preferably arranged around the outer walls of the combustion chamber, which is intended to prevent more than unavoidably thermal energy of the combustion of the carbon-based fuel from being transferred to the local environment of the combustion chamber within the housing of the fluid heater via the outer walls of the combustion chamber.
  • the combustion air coming from the environment is preferably conducted in the first preheating stage, and thus heated.
  • This first preheating can be done by means integrated in the thermal insulation combustion air ducts, which are arranged for example in a kind of coiled tubing around the combustion chamber around.
  • the combustion air ducts are formed on the Au JOjobn the combustion chamber in the longitudinal direction of the combustion chamber, whereby a quantitatively large combustion air flow rate can be achieved on the outer walls of the combustion chamber.
  • the insulation or an insulating layer of the combustion chamber may be formed porous so that combustion air can be sucked through this porous layer.
  • a first fan is preferably used. det, which sucks the air around the combustion chamber and / or from the inside of the housing of the fluid heater.
  • the suction power also causes a forced suction of the ambient air in the heat insulation of the combustion chamber and / or by fresh air supply openings in the housing of the fluid heater.
  • the first fan is therefore designed to be so powerful that it can accomplish both the combustion air intended for combustion through the insulation of the combustion chamber with sufficient volume for the combustion necessary, and optionally can suck combustion air from the housing interior and the sucked combustion air combustion air ducts for further transport which can already supply preheated combustion air to other components of the fluid heater.
  • the already preheated by the combustion chamber insulation combustion air in combustion air ducts is then fed to a second exhaust gas heat exchanger.
  • the combustion air introduced from combustion air ducts into the second exhaust gas heat exchanger serves as a heat-absorbing medium in the second exhaust gas heat exchanger.
  • the hot exhaust gas coming from the first heat exchanger - which has already cooled somewhat in the first exhaust gas heat exchanger due to the heating of the fluid - is used as the heat-emitting medium.
  • the hot exhaust gas is further cooled, at the same time for the
  • the combustion air is heated as a heat-absorbing medium directly from the exhaust gas as a heat-emitting medium. Therefore, its energy consumption in the second preheating stage is higher in comparison with the first preheating stage at, for example, the same heat transfer path. It can be understood that the amount of combustion air flowing through the second exhaust gas heat exchanger must be approximately the same as the amount of combustion air, which over the outer walls of the insulation of the combustion chamber and / or the interior of the Fluiderhitzergephaseuses ultimately from the environment is sucked.
  • the combustion air and the exhaust gas can also be conducted, for example, in crossflow, in which case a use of a plate heat exchanger is conceivable.
  • a plate heat exchanger for the second exhaust gas heat exchanger for preheating the combustion air, it is irrelevant for the fulfillment of the invention, whether this is designed as a pipe or plate heat exchanger, as long as an efficient heat transfer to the heat-absorbing combustion air, which is provided for the subsequent combustion of carbon-based fuels.
  • Other designs for heat exchangers are of course included in the concept of the invention.
  • the now twice preheated combustion air is fed to a third preheating stage via combustion air ducts.
  • the third preheating stage forms one or more cavities in the ash discharge device of the combustion device according to the invention.
  • the combustion device according to the invention also has an ash discharge device, which preferably works with a screw conveyor for discharging the ash. By rotation of the screw conveyor falling ash in the ash discharge device is conveyed along the axial direction of the screw conveyor and can be pushed out or disposed of through suitable openings in the housing of the fluid heater.
  • the ash discharge screw runs in a half pipe or an upwardly open channel, so that ash particles falling on the discharge screw are pushed out in the longitudinal direction of the channel.
  • the ash discharge device is preferably arranged below the combustion chamber and in direct contact with it, so that the ash resulting from the combustion can fall into the discharge device. As a result, the ash discharge device is heated on the one hand by the falling ash particles and by the radiation and convection heat generated in the combustion chamber.
  • the other effect of further preheating the combustion air achieves a higher combustion temperature, when the now three times preheated combustion air is supplied further preheated in the direction of the combustion chamber and the carbon-based fuel present there.
  • the combustion air is preheated a fourth time before it is available to the combustion.
  • the fuel supply preferably has cavities on its circumference which are formed in the fuel feed direction. These cavities in the fuel supply end together with the fuel supply in the combustion chamber, whereby these cavities are comprehensively heated at least by the radiant heat of combustion and so the combustion air passes through a fourth preheating stage before it is available for combustion.
  • the fuel supply device dips more or less far into the combustion chamber, as a result of which the cavities at the fuel supply device, through which the combustion air is supplied to the combustion chamber, are heated to a greater or lesser degree by radiation and / or convection heat of the combustion.
  • the ambient air sucked in or supplied by ambient air is heated with ambient temperature in four successive preheating steps and supplied to the carbonaceous fuel in the combustion chamber. Due to the high preheating of the combustion air on its way through the combustion device according to the invention, a high flame temperature and thus a high firing temperature is achieved in the combustion chamber, which advantageously can run the combustion very low in pollutants. Generally, the higher the combustion temperature, the lower the resulting pollutant concentration.
  • the combustion device according to the invention provides an additional catalytic converter, but this is not necessary for compliance with the current legal limits.
  • the exhaust gas values can be further improved, ie reduced.
  • the nitrogen oxide content can be further reduced by means of a catalyst.
  • a fine dust filter in the exhaust pipe which is preferably arranged in front of a second fan for blowing the exhaust gas.
  • the second fan With the second exhaust fan, the temperature in the combustion chamber can be controlled specifically by the second fan sucks more or less exhaust gas through the exhaust pipe or emits into the environment. Needless to say, the second fan must interact with the first fan and be controlled accordingly.
  • the second fan may be controlled to control its flow rate via the residual oxygen content in the exhaust and, depending thereon, the first fan to draw sufficient combustion air from the environment.
  • the control of the two fans is further dependent on the fuel supply, since the fuel introduces the stored and thus convertible into heat energy and dictates the oxygen requirement for the combustion.
  • the combustion device according to the invention and the combustion method according to the invention all types of carbon-based fuels can be processed, since the method or device can be flexibly and easily adjusted to any type of fuel by adjusting the supplied combustion air, the exhaust gases discharged and the amount of fuel supplied. It is ensured - especially through the four-stage combustion air preheating - that the combustion takes place in a high-temperature range, resulting in a minimum of pollutants in the exhaust gas. Particularly noteworthy is that in the high-temperature combustion by the combustion process according to the invention, the ash particles vitrify and thus include the sulfur and nitrogen oxides in the ash particles, which form in the combustion chamber.
  • the working medium to be heated and / or vaporized, ie the fluid to be heated can be preheated, for example in a third heat exchanger through which the cold fluid and the cooled exhaust gas flow Energy consumption is reduced for the ultimate temperature of the fluid to be reached.
  • a third exhaust gas heat exchanger is preferably arranged in the exhaust gas stream downstream of the second heat exchanger be, with which the exiting from the second heat exchanger exhaust gases, which continue to the environment have an elevated temperature, are cooled by their heat to the working fluid to be heated, in the simplest case, water release.
  • the supplied fuel can also be preheated via a fourth exhaust gas heat exchanger.
  • the fourth exhaust gas heat exchanger may be arranged either in the exhaust gas downstream of the third exhaust gas heat exchanger for preheating the working fluid, or after the second exhaust gas heat exchanger for the second preheating of the combustion air.
  • the fourth exhaust gas heat exchanger for preheating the fuel can also be used as an alternative to the third heat exchanger for preheating the working medium. In a preferred embodiment for the fourth exhaust gas heat exchanger, this will be arranged after the third exhaust gas heat exchanger and flow through a fuel feed rather in cross flow, in which, for example, moist biomass is stored, in particular wood chips or the like.
  • the method according to the invention and the device according to the invention for combustion of carbon-based fuels can be achieved by the stepwise preheating of both the combustion air and possibly the fuel in an efficient manner, a very high combustion temperature, with which simultaneously reaches a low pollutant concentration in the exhaust gas becomes. Due to the high combustion temperatures, it is possible to vitrify the burned carbon-based fuels in the exhaust gas, whereby nitrogen oxides and sulfur oxides are bound in the ash and do not escape with the exhaust gases.
  • the efficient utilization of the hot exhaust gases to preheat the input materials for the combustion achieves efficient utilization of the energy of the fuel used and at the same time reduces the environmental impact of high temperatures. temperature differences with the environment avoided.
  • the fluid heater according to the invention or the heating method according to the invention not only achieves a very high overall efficiency, but in particular contributes to a very environmentally friendly energy supply or conversion.
  • the fluid heated by the fluid heater according to the invention or the heating method according to the invention can be used in all types of use in which heat energy is required. This may be the case, for example, in heating systems, hot water treatment plants, steam generation plants or industrial processes in which heated or vaporous media are required.
  • the figure shows a combustion device according to the invention in a schematic representation
  • the fluid heater 1 has, according to the embodiment shown in the figure, a combustion chamber 2, which is provided with an insulation 2i.
  • a combustion chamber 2 which is provided with an insulation 2i.
  • carbonaceous fuel 20 is conveyed via a fuel supply device 3 by means of a transport screw 35 into the combustion chamber 2 for combustion of the fuel 20.
  • combustion air 18 of the combustion chamber 2 is supplied via combustion air supply lines 17 via a tube 34 which comprises the fuel feed screw 35.
  • the combustion of the supplied fuel 20 takes place with four times preheated combustion air 18 having a temperature preferably above 1200 ° C., more preferably above 1300 ° C. and particularly preferably above 1400 ° C.
  • the resulting ash 14 vitrifies at these high temperatures and forms granular, at least partially vitrified ash particles 19, which fall down into an ash discharge device 4.
  • the ash discharge device 4 has an ash transport screw 45, which discharges the ash 19 produced by the combustion continuously out of the combustion chamber 2.
  • the exhaust gas 14 produced during the combustion is conducted out of the combustion chamber 2 via an exhaust gas line 13.
  • the over combustion air supply 17 of the combustion chamber 2 supplied combustion air 18 was preheated before entering the combustion chamber 2 by a four-stage process and has at their Entry into the combustion chamber 2 a temperature of preferably more than 300 ' ⁇ , more preferably more than 350 ⁇ and more preferably more than 380 ⁇ on.
  • These high temperatures of the preheated combustion air are achieved, in particular, by introducing the combustion air sucked in from the surroundings into the housing 100 of the heater 1 via combustion air openings 18a and combustion air supply lines 17 and initially preferably in the insulation 2i of the combustion chamber 2.
  • the combustion air duct 17 are preferably integrated into the heat insulation of the combustion chamber 2.
  • combustion air can also be sucked from the interior of the housing 100, for example via an intake manifold 16.
  • the temperature level in the interior of the housing 100 is significantly higher than that of the environment of the housing 100, since the insulated assemblies of the fluid heater according to the invention despite a very good thermal insulation - which can never be 100% - give small amounts of heat to the housing interior and so heat the air inside. Temperatures of 30 ° C and higher are measurable.
  • the housing 100 of the fluid heater according to the invention is also thermally insulated from the environment.
  • a first fan 9 is provided, which is preferably arranged in the direction of the combustion air flow upstream of the second exhaust gas heat exchanger 5, and which sucks the combustion air 18 intended for combustion through the heat insulation 2i of the combustion chamber 2 and, optionally preheated combustion air 18 additionally sucks from the interior of the housing 100 via the intake manifold 16.
  • the preheated combustion air 18 is further supplied via combustion air supply 17 a second exhaust gas heat exchanger 6, through which the now preheated combustion air 18 preferably in countercurrent with the hot exhaust gases 14, which flow out of the first exhaust gas heat exchanger 5, in a second Preheating is further preheated.
  • the hot exhaust gas 14 produced during combustion flows as a heat-emitting medium and the fluid 12 to be heated by the fluid heater as a heat-absorbing medium in a cocurrent or countercurrent.
  • the now twice preheated combustion air 18 is passed on to the ash discharge device 4 via further combustion lines 17.
  • the ash discharge device 4 has cavities 40 through which the combustion air 18 can flow and heat up. The flow through the combustion air 18 through the cavities 40 of the ash discharge device 4 thus represents a third preheating stage, which further heats the combustion air.
  • the now three times preheated combustion air 18 is supplied via further combustion air ducts 17 of the fuel supply device 3.
  • cavities 30 of the fuel supply device for example are formed as an annular gap 30, which is formed by a tube 33 surrounding the fuel guide device 3 and a tube 34 coaxially surrounding the tube 33.
  • the tube 34 through which the combustion air 18 can enter the combustion chamber 2, is thereby heated by the combustion at least by the radiant heat, whereby the combustion air 18 is preheated a fourth time before entering the combustion chamber 2.
  • This fourth preheating stage preferably ends at the firing point, at which the fuel 20 is also supplied.
  • the combustion flame passes directly to the tube 34 or is spaced therefrom.
  • the flame will be spaced from the pipe end of the pipe 34 by the overpressure of the gas supply in most cases and not directly pressurize the pipe 34.
  • the pipe 34 is heated at least by the radiant heat, whereby the fourth preheating stage is realized even when using gaseous carbon-based fuels 20.
  • the resulting during combustion exhaust 14 is, as shown in the figure, preferably bypasses baffles or baffles in the combustion chamber 2 and fed to the output of the combustion chamber 2 and then passes through an exhaust gas outlet 13 in the first exhaust heat exchanger 5.
  • the first Exhaust gas heat exchanger 5 is flowed through by the fluid to be heated and / or to be evaporated 12, which at least partially absorbs the heat energy of the exhaust gas 14.
  • a cross-flow heat exchanger is shown as an example, wherein the fluid 12 enters the upper part of the first exhaust gas heat exchanger 5 and leaves the heat exchanger 5 in the lower region. When leaving the heat exchanger 5, the fluid 12 preferably has a predetermined temperature for further use.
  • the temperatures of the two media in particular the fluid outlet temperature, can be influenced.
  • the fluid reaches 12 in another optional embodiment, already preheated the first exhaust gas heat exchanger 5, wherein the preheating takes place in a third exhaust gas heat exchanger 7.
  • the third exhaust gas heat exchanger is shown in the figure, for example, as Gegenstromrohr Anlagenl Anlagen (2004) 7, in which the exiting from the second exhaust gas heat exchanger 6 exhaust gas 14 is conducted as a heat-emitting medium in countercurrent to the heat-absorbing cold fluid 12.
  • the exhaust gas 14 after leaving the third exhaust gas heat exchanger 7 - as shown purely by way of example in the figure - fed to a fourth exhaust gas heat exchanger 8, in which the exhaust gas 14 preheats the fuel 20 intended for combustion.
  • the fuel preheating is exemplified by the fourth exhaust gas heat exchanger 8 as a coiled exhaust pipe 13 in a fuel storage, but this represents only one of many possibilities.
  • the fuel 20 intended for combustion is a bulk material, for example wood pellets.
  • wood chips or other moist biomass it is also possible to use wood chips or other moist biomass. If moist biomass is used, the moisture content of the fuel 20 can be reduced by the inventive passage of an exhaust pipe coil through the fuel storage, which in turn increases the calorific value / calorific value of the fuel 20 used and thus raises the efficiency of the entire fluid heater.
  • a second fan 10 which serves the forced operation of the exhaust gas 14, or ensures that the exhaust gas is sucked through the individual exhaust gas heat exchanger. Since both the third exhaust gas heat exchanger 7 and the fourth exhaust gas heat exchanger 8 are optional, the second blower 10 can be arranged directly after the second exhaust gas heat exchanger 6, and the exhaust gas 14 produced during the combustion can flow out of the fluid heater via the exhaust gas line 13. Further optional can, especially in the arrangement of a third and / or even fourth exhaust gas heat exchanger 7 and / or 8, an additional fan 1 1 in the exhaust gas discharge line 13 between the second and the third exhaust gas heat exchanger 6 and 7 are provided so that a controlled exhaust system due to the increase in flow resistance is guaranteed.
  • the entire combustion device is accommodated within a housing 100 with an insulation 100i, whereby the individual assemblies, which are additionally isolated on their own, are further insulated from the environment.
  • temperatures in the range between 30.degree. C. and 80.degree. C. may in some cases even more occur, which in turn ensure that the products to be supplied to the combustion, ie the fuel 20 and the combustion air 18 as well as the working fluid 12 to be heated are effectively be warmed and so the energy required for the heating or evaporation of the working fluid 12 to be achieved is reduced to a minimum.
  • fluid heater 1 shows only a preferred embodiment, which does not limit the inventive concept of the four-stage preheating the combustion air 18 to achieve high-temperature combustion with ash glazing to reduce pollutants in the exhaust gases 14.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Air Supply (AREA)
  • Combustion Of Fluid Fuel (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Fluiderhitzer und ein Verfahren zur Erwärmung eines Fluids mittels des Fluiderhitzers, in dem kohlenstoffbasierte Brennstoffe verbrannt werden. Die Erfindung betrifft insbesondere die Verbrennung von fossilen bzw. nachwachsenden Rohstoffen, wobei mit der erfindungsgemäße Fluiderhitzer und dem erfindungsgemäßen Verfahren sowohl Biomasse, Kohle, Heizöl, oder ähnliche kohlenstoffbasierten Brennstoffe verbrannt werden können. Dabei wird die der Verbrennung zugeführte Brennluft in einem vierstufigen Verfahren vorgewärmt und derart vorgewärmt der Brennkammer zugeführt, sodass dort eine Hochtemperaturverbrennung der eingesetzten kohlenstoffbasierten Brennstoffe stattfindet, welche sich durch einen sehr geringen Schadstoffausstoß auszeichnet. Die bei der Verbrennung entstehende Asche wird hierbei in verglaster Form aus dem Fluiderhitzer ausgetragen.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR FLUIDERWÄRMUNG DURCH VERBRENNUNG
KOHLENSTOFFBASIERTER BRENNSTOFFE Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erwärmung eines Fluids durch Verbrennung kohlenstoffbasierter Brennstoffe. Die Erfindung betrifft insbesondere die Verbrennung von fossilen bzw. nachwachsenden Rohstoffen, wobei mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowohl Biomasse, Kohle, Heizöl, oder ähnliche kohlenstoffbasierten Brennstoffe verbrannt werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrich- tung finden insbesondere bei der technischen Wärmeerzeugung durch Gewinnung von Wärmeenergie bzw. deren Umwandlung zur elektrischen Energie Anwendung. Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung können jedoch auch zum Befeuern beispielsweise von Abfallverbrennungsanlagen oder Hochöfen verwendet werden. Daneben ist eine Verwendung im häuslichen Bereich zur Brauchwasser-, Nutzwasser- oder Heizungswas- sererwärmung ebenfalls vom Erfindungsgedanken umfasst. Ein Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der Erzeugung eines gasförmigen Arbeitsfluids, insbesondere von Wasserdampf, mit dem eine Arbeitsmaschine, insbesondere eine Dampfmaschine, betrieben werden kann. Aus dem Stand der Technik sind vielfältige Feuerungs- und Verbrennungsanlagen bekannt, welche in ihrem Wirkungsgrad nicht immer optimal ausgeführt sind. So beschreibt beispielsweise DE 000 S 00 27 948 MAZ ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vorwärmen und Befeuchten von Verbrennungsluft für Kesselfeuerungen. Hierbei wird aus der Umgebung angesaugte Frischluft, welche als Brennluft für die Verbrennung dienen soll, durch den heißen Abgasstrom vorgewärmt und der Verbrennung zugeführt. Dadurch kann die Verbrennungstemperatur erhöht werden, wodurch die Feuerungstemperatur höher ist, als wenn man die Umgebungsluft direkt der Verbrennung zuführt.
Mit der Erhöhung der Feuerungstemperatur steigt allerdings auch das Risiko einer Klinkerbil- dung am Feuerungsrost und die Verschlackung des Brennstoffbettes. Dem begegnet die oben genannte Druckschrift durch Befeuchtung der Luft, wodurch der vorgewärmten Luft Energie entzogen wird, wobei gleichzeitig hohe Energiemengen zugeführt werden müssen, damit der Was- serdampf jederzeit in der Verbrennungsluft gelöst bleibt und die Verbrennung bei hohen Temperaturen ablaufen kann. Damit sinkt jedoch der Gesamtwirkungsgrad Feuerungsanlage.
DE 696 28 280 T2 beschreibt eine Wirbelbettanordnung mit Durchflussausgleich, welche als mehrstufige Verbrennungsvorrichtung mit drei Brennkammern ausgestaltet ist, die mittels mit Öffnungen versehenen Trennwänden voneinander getrennt sind. Zur effektiven Verbrennung (Fluidisierung) von Feststoffen wird der Feststoffdurchfluss durch die drei Kammern von der Partikelgröße gesteuert. Beim Übergang von einer Kammer zur nächsten Kammer wird dem Verbrennungsgut mittels Wärmetauschern Energie entzogen. Die gesamte Vorrichtung ist dabei von einem separaten Kühlsystem umgeben, welches in einer Ausführungsform als Aschenkühler eingesetzt werden kann. Die zur Verbrennung eingesetzten Gase und Feststoffe treten dabei in einem nicht vorgewärmten Zustand in die erste Brennkammer ein.
PS 36 26 933 C2 beschreibt eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Brennstoff- und Wasser- dampf enthaltenden, nach Zumischung von Verbrennungsluft brennbaren Gasgemisches. Dabei werden in einem Brennraum sowohl der Wasserdampf, welcher als Wasser von außen der Vorrichtung zugeführt wird, als auch der Brennstoff und die Verbrennungsluft gleichzeitig von den bei der Verbrennung entstehenden Abgasen in teilweise gemeinsamen Wärmetauschern parallel vorgewärmt, bzw. verdampft.
DE 33 43 024 C2 schlägt zur Vermeidung von Klinkerbildung und Verschlackung des Verbrennungsrostes vor, Frischluft durch hohle Verbrennungsroststäbe zur Kühlung derselben strömen zu lassen. Die Abkühlung des Verbrennungsrostes bzw. der Verbrennungsstelle hat aber zur Folge, dass die Feuerungstemperatur insgesamt sinkt, womit der Gesamtwirkungsgrad der Verbrennung sinkt und die Schadstoffkonzentration der Schadstoffe, welche nach der Verbrennung in den Abgasen vorhanden sind, zunimmt. Des Weiteren bringt eine derartige Frischluftspülung des Verbrennungsrostes einen erhöhten Energiebedarf für die Feuerungsanlage mit sich, womit ebenfalls der Gesamtwirkungsgrad der Feuerungsanlage abnimmt. Aufgabe der Erfindung ist es einen auf die Verbrennung von kohlenstoffbasierten Brennstoffen basierenden Fluiderhitzer mit höchstmöglichem Gesamtwirkungsgrad bereitzustellen, der einen minimalen Schadstoffausstoß gewährleistet, wobei gleichzeitig eine Klinkerbildung bzw. eine Verschlackung der Verbrennungszone und der Ascheaustragzone vermieden wird. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und einen Fluiderhitzer zur Verbrennung von kohlenstoff- basierten Brennstoffen bereitzustellen, dessen Aufbau einfach und robust sowie kostengünstig ist, wobei die Gesamtanlage zur Fluiderwärmung für Wartungsarbeiten einfach zugänglich sein soll. Ziel der Erfindung ist eine möglichst effektive Ausnutzung des Heiz- bzw. Brennwertes von kohlenstoffbasierten Brennstoffen zur Erhaltung eines erwärmten, erhitzten oder dampfförmigen Fluids, insbesondere ein Arbeitsmitteldampf, mit dem beispielsweise eine Dampfmaschine betrieben werden kann. Die vorliegende Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst, wobei bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens in den Unteransprüchen angegeben sind. Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls durch eine Vorrichtung nach Anspruch 8 gelöst, während bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäße Vorrichtung in den abhängigen Unteransprüchen angegeben sind.
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird eine Brennkammer, eine Brennstoffzuführung in die Brennkammer, sowie eine Ascheaustragvorrichtung für die bei der Verbrennung anfallende Asche in einem gemeinsamen Gehäuse bereitgestellt, wobei weiterhin zumindest zwei Abgaswärmetauscher innerhalb des Gehäuses vorgesehen sind.
In einer ersten Vorwärmstufe für die der Verbrennung zuzuführenden Brennluft wird Frischluft von der Umgebung dem Fluiderhitzer durch Öffnungen im Gehäuse zugeführt und zunächst an den Au ßenwänden der Brennkammer bzw. der Brennkammerisolierung vorbeigeführt, wobei die angesaugte Brennluft bevorzugt innerhalb der Brennkammerisolierung zu ihrer ersten Vorwär- mung entlang geführt wird. Gleichzeitig oder auch alternativ dazu kann zur Verbrennung notwendige Brennluft im Gehäuseinneren angesaugt werden und Brennluftzuführleitungen zugeführt werden. Entsprechend sind dann in den Außenwänden des Fluiderhitzergehäuses Öffnungen vorzusehen, die ein Einströmen von Frischluft zulassen. Bevorzugt sind diese Öffnung am Außenumfang des Gehäuses verteilt angeordnet, sodass sich die einströmende Brennluft auf ihrem Weg ins Gehäuseinnere an den isolierten Baugruppen des Fluiderhitzers erwärmen kann. Bevorzugt wird man die von außen eintretende Luft an den Au ßenwänden der Brennkammer und /oder dem ersten Abgaswärmetauscher vorbeiführen, da dort die höchsten Temperaturen herrschen, wodurch auch deren Isolierung, insbesondere die der Brennkammer, Wärme an das Gehäuseinnere der Fluiderhitzeranlage abgibt. Durch die von den einzelnen Baugruppen abge- gebene Wärme entstehen im Gehäuseinneren des Fluiderhitzers gegenüber der Umgebungstemperatur erhöhte Temperaturen. Diese Wärme wird von dem erfindungsgemäßen Verfahren zur ersten Vorwärmung der für die Verbrennung bestimmten Brennluft ausgenutzt.
Der erste Wärmetauscher ist für die Erwärmung und/oder die Verdampfung eines Fluids, wie beispielsweise Brauch- oder Nutzwasser oder Wasser, insbesondere zur Dampferzeugung, vorgesehen. Der erste Abgaswärmetauscher wird mit den aus der Brennkammer kommenden heißen Abgasen als wärmeabgebendes Medium durchströmt. Das im ersten Wärmeaustauscher als wärmeaufnehmendes Medium zirkulierende Fluid, beispielsweise Wasser, kommt dabei mit dem wärmeabgebenden heißen Abgasen nicht in Berührung. Das zu erwärmende und/oder zu verdampfende Fluid kann in einer Rohrwendel, welche beispielsweise eine Schraubenlinie beschreibt, geführt werden. Das heiße Abgas wird bevorzugt gegen Strom längs der Rohrwen- delachse geführt und kann so effektiv seine Wärme an das Arbeitsmedium, d.h. das Fluid abgeben. Prinzipiell ist es für den Erfindungsgedanken unerheblich, ob die beiden im ersten Wärmetauscher strömenden Medien im Wesentlichen vertikal oder horizontal geführt werden, wichtig ist nur, dass ein guter Wärmeübergang von den heißen Abgasen zum Fluid gewährleistet ist. Bevorzugt wird man die heißen Abgase und das Fluid im Gegenstrombetrieb durch den ersten Wärmetauscher strömen lassen, da dabei die Wärmeunterschiede zwischen den beiden Medien längs des Strömungsweges am größten sind und so eine hohe Wärmeübertragung bewerkstelligt werden kann. Die obigen Ausführungen gelten analog für gerade Rohrwärmetauscher und Plattenwärmetauscher. Die Brennkammer des Fluiderhitzers ist von einem Gehäuse mit Au ßenwänden umgeben, die beispielsweise einen geschlossenen Behälter oder dergleichen bilden. Vom Erfindungsgedanken sind selbstredend kubische und zylindrische Formen umfasst. Um die Au ßenwände der Brennkammer ist bevorzugt eine Isolierung angeordnet, welche verhindern soll, dass über die Außenwände der Brennkammer mehr als unvermeidbar Wärmeenergie der Verbrennung des kohlenstoffbasierten Brennstoffs auf die lokale Umgebung der Brennkammer innerhalb des Gehäuses des Fluiderhitzers übertragen wird. Durch diese Wärmeisolierung, d.h. innerhalb der Wärmeisolierung wird in der ersten Vorwärmstufe bevorzugt die von der Umgebung kommende Brennluft geführt, und somit erwärmt. Diese erste Vorwärmung kann dabei mittels in die Wärmisolation integrierten Brennluftführungen erfolgen, die beispielsweise in einer Art Rohrwendel um die Brennkammer herum angeordnet sind. Bei einer einfacheren Ausführungsform der Erfindung sind die Brennluftführungen an den Au ßenwänden der Brennkammer in Längsrichtung der Brennkammer ausgebildet, womit ein mengenmäßig großer Brennluftdurchsatz an den Außenwänden der Brennkammer erreicht werden kann. Alternativ kann die Isolierung oder eine Isolationsschicht der Brennkammer porös so ausgebildet sein, dass Brennluft durch diese poröse Schicht hindurch angesaugt werden kann. Selbstredend ist bei einem großen Durchsatz von Brennluft, d.h. bei schneller Strömungsgeschwindigkeit an den Au ßenwänden der Brennkammer, nur eine geringe Wärmeaufnahme durch die für die Verbrennung bestimmte Brennluft möglich. Je langsamer die Brennluft an den Außenwänden der Brennkammer vorbeiströmt, desto mehr Wärmeenergie kann diese aufnehmen.
Zum Erreichen einer Zwangskonvektion innerhalb der Wärmeisolierung der Brennkammer, welche beispielsweise ein poröses Material aufweist, wird bevorzugt ein erster Ventilator verwen- det, welcher die Luft um die Brennkammer und/oder aus den Inneren des Gehäuses des Flui- derhitzers absaugt. Dabei bewirkt die Saugleistung auch eine Zwangsansaugung der Umgebungsluft in die Wärmeisolierung der Brennkammer und/oder durch Frischluftzufuhröffnungen im Gehäuse des Fluiderhitzers. Der erste Ventilator ist dementsprechend derart leistungsstark ausgelegt, dass er sowohl die für die Verbrennung bestimmte Brennluft über die Isolierung der Brennkammer mit ausreichend für die Verbrennung notwendigem Volumen bewerkstelligen kann, als auch optional Brennluft aus dem Gehäuseinneren ansaugen kann und die angesaugte Brennluft Brennluftleitungen zum weiteren Transport der bereits einmal vorgewärmten Brennluft an weitere Baugruppen des Fluiderhitzers zuführen kann.
Auf der Abblasseite des Ventilators wird die durch die Brennkammerisolierung bereits einmal vorgewärmte Brennluft in Brennluftleitungen dann einem zweiten Abgaswärmetauscher zugeführt. Die von Brennluftleitungen in den zweiten Abgaswärmetauscher eingeleitete Brennluft dient im zweiten Abgaswärmetauscher als wärmeaufnehmendes Medium. Im zweiten Abgas- Wärmetauscher wird, wiederum bevorzugt im Gegenstrom, das aus dem ersten Wärmetauscher kommende heiße Abgas - das im ersten Abgaswärmetauscher bereits durch die Erwärmung des Fluids etwas abgekühlt ist - als wärmeabgebendes Medium verwendet. Somit wird im zweiten Abgaswärmetauscher das heiße Abgas weiter gekühlt, wobei gleichzeitig die für die
Verbrennung vorgesehene Brennluft weiter erwärmt wird und nun eine zweite Vorwärmstufe durchlaufen hat.
Im zweiten Abgaswärmetauscher wird die Brennluft als wärmeaufnehmendes Medium direkt vom Abgas als wärmeabgebendes Medium erwärmt. Daher ist dessen Energieaufnahme in der zweiten Vorwärmstufe im Vergleich zur ersten Vorwärmstufe bei beispielsweise gleicher Wär- meübertragungsstrecke höher. Nachvollziehbar ist, dass die Menge der Brennluft, welche durch den zweiten Abgaswärmetauscher strömt, in etwa genau so groß sein muss, wie die Menge an Brennluft, welche über die Außenwände der Isolierung der Brennkammer und/oder über den Innenraum des Fluiderhitzergehäuses letztendlich aus der Umgebung angesaugt wird. In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Brennluft und das Abgas beispielsweise auch im Kreuzstrom geführt werden, wobei hier ein Einsatz eines Plattenwärmetauschers vorstellbar ist. Für den zweiten Abgaswärmetauscher zur Vorwärmung der Brennluft ist es für die Erfüllung des Erfindungsgedanken unerheblich, ob dieser als Rohr- oder Plattenwärmetauscher ausgebildet ist, so lange ein effizienter Wärmeübergang auf die wärmeaufnehmende Brennluft erfolgt, die für die spätere Verbrennung von kohlenstoffbasierten Brennstoffen vorgesehen ist. Andere Bauformen für Wärmetauscher sind selbstredend vom Erfindungsgedanken umfasst. Nach Verlassen des zweiten Wärmetauschers wird die nun zweimal vorgewärmte Verbrennungsluft einer dritten Vorwärmstufe über Brennluftführungen zugeleitet. Die dritte Vorwärmstufe bilden hierbei ein oder mehrere Hohlräume in der Ascheaustragvorrichtung der erfindungs- gemäßen Verbrennungsvorrichtung. Wie jede Verbrennungsvorrichtung weist auch die erfindungsgemäße Verbrennungsvorrichtung eine Ascheaustragvorrichtung auf, welche bevorzugt mit einer Förderschnecke zum Austragen der Asche arbeitet. Durch Drehung der Förderschnecke wird die in die Ascheaustragvorrichtung fallende Asche entlang der Achsrichtung der Förderschnecke befördert und kann durch geeignete Öffnungen im Gehäuse des Fluiderhitzers ausgeschoben bzw. entsorgt werden.
Weiter bevorzugt läuft die Ascheaustragschnecke in einem Halbrohr bzw. einer nach oben geöffneten Rinne, so dass auf die Austragschnecke fallende Aschepartikel in Rinnenlängsrichtung ausgeschoben werden. Selbstredend ist die Ascheaustragvorrichtung bevorzugt unterhalb der Brennkammer angeordnet und in direktem Kontakt mit dieser, so dass die bei der Verbrennung anfallende Asche in die Austragvorrichtung fallen kann. Dadurch erwärmt sich die Ascheaustragvorrichtung einerseits durch die herabfallenden Aschepartikel als auch durch die in der Brennkammer erzeugte Strahlungs- und Konvektionswärme. Mit der Durchführung der Brennluft durch Hohlräume in der Ascheaustragvorrichtung, die beispielsweise in Längsrichtung der Rinne angeordnet oder integral mit der Rinne ausgebildet sind, kann somit zweierlei Effekt erzielt werden: Erstens eine weitere Erwärmung der Brennluft auf ihrem Weg zur Brennkammer als auch eine Kühlung der Ascheaustragvorrichtung zur Vermeidung von Schlackenbildung und Verklin- kerung der Asche auf/in der Ascheaustragvorrichtung. Speziell der zweite Punkt ist für die zuverlässige Funktionsweise des erfindungsgemäßen Fluiderhitzers wichtig, damit die Ascheaustragschnecke nicht durch Aschepartikel verklebt, welche auf der Ascheaustragvorrichtung, insbesondere in der Rinne oder auf der Schnecke, kleben bleiben könnten. Hierzu ist ebenfalls denkbar die Brennluft durch beispielsweise Längsbohrungen in der Asche-Transportschnecke zu leiten. Damit ist gewährleistet, dass die Ascheaustragschnecke, welche eine herkömmliche Transportschnecke sein kann, jederzeit während der Verbrennung in Drehung verbleibt und so eine kontinuierliche Befeuerung und Verbrennung in der Verbrennungsvorrichtung möglich ist.
Der andere Effekt der weiteren Vorwärmung der Verbrennungsluft erzielt eine höhere Verbrennungstemperatur, wenn die nun dreimal vorgewärmte Brennluft weiter in Richtung Brennkammer und dem dort vorhandenen kohlenstoffbasierten Brennstoff vorgewärmt zugeführt wird. Die weitere Zuführung der Verbrennungsluft von der Ascheaustragvorrichtung an die Brennkammer erfolgt über Brennluftführungen, welche die nun bereits dreifach vorgewärmte Brennluft um eine Brennstoffzuführeinrichtung herum der Brennkammer zuführt. Durch die umgreifen- de/umspülende Zuführung der Brennluft zur Brennstoffkammer wird die Brennluft ein viertes Mal vorgewärmt, bevor sie dem Verbrennungsgut zur Verfügung steht.
Bevorzugt weist die Brennstoffzufuhr an ihrem Umfang Hohlräume auf, die in Brennstoffzuführ- richtung ausgebildet sind. Diese Hohlräume in der Brennstoffzuführeinrichtung enden zusammen mit der Brennstoffzuführung in der Brennkammer, wodurch in nachvollziehbarer Weise diese Hohlräume zumindest durch die Strahlungswärme der Verbrennung erwärmt werden und so die Verbrennungsluft eine vierte Vorwärmstufe durchläuft, bevor sie der Verbrennung zur Verfügung steht. Je nach Ausführungsart taucht die Brennstoffzuführeinrichtung mehr oder we- niger weit in die Brennkammer ein, wodurch die Hohlräume an der Brennstoffzuführeinrichtung, durch welche die Brennluft der Brennkammer zugeführt wird, stärker oder weniger stark durch Strahlungs- und/oder Konvektionswärme der Verbrennung erhitzt werden.
Insgesamt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und in der erfindungsgemäßen Vorrich- tung die von Umgebung angesaugte oder zugeführte Brennluft mit Umgebungstemperatur in vier aufeinanderfolgenden Vorwärmschritten erwärmt und dem kohlenstoffhaltigen Brennstoff in der Brennkammer zugeführt. Durch die hohe Vorwärmung der Brennluft auf ihrem Weg durch die erfindungsgemäße Verbrennungsvorrichtung wird eine hohe Flammtemperatur und somit eine hohe Brenntemperatur in der Brennkammer erreicht, welche vorteilhaft die Verbrennung sehr schadstoffarm ablaufen lässt. Allgemein gilt, dass je höher die Verbrennungstemperatur, desto niedriger ist die dabei entstehende Schadstoffkonzentration.
Ein weiterer Effekt, welcher nur bei hohen Verbrennungstemperaturen eintritt, ist die Verglasung der Verbrennungsasche, d.h. dass die bei der Verbrennung entstehenden Verbrennungsproduk- te einen glasartigen Zustand annehmen. Beim Entstehen dieses glasartigen Zustands, der insbesondere als kugelförmige Aschepartikel zu erkennen ist, werden Oxide in die Aschepartikel eingeschlossen, die ansonsten im Abgas verbleiben würden. Bekannterweise sind beispielsweise Schwefeloxide nicht verbrennbar, jedoch schädlich für die Umwelt. Durch die erreichte Hochtemperaturverbrennung liegen weiterhin sehr wenige Kohlenmonoxide vor, die normalerweise bei der Verbrennung eines kohlenstoffbasierten Brennstoffes entstehen. Gleichzeitig ist die Konzentration an Stickoxiden (einfache oder mehrwertige) sehr gering, da diese durch die hohen Verbrennungstemperaturen im Wesentlichen zu Stickstoffdioxid aufoxidiert werden. Gleiches gilt für das Kohlenmonoxid, welches analog zu Kohlendioxid aufgrund der hohen Verbrennungstemperaturen aufoxidiert wird. Bekanntermaßen ist die Verbrennung von Kohlenstoffen umso vollständiger, je höher die Temperatur der Verbrennung ist. In einer weiteren Ausführungsform sieht die erfindungsgemäße Verbrennungsvorrichtung einen zusätzlichen Abgaskatalysator vor, der aber für die Einhaltung der derzeitigen gesetzlichen Grenzwerte nicht notwendig ist. Mit einem solchen Abgaskatalysator können die Abgaswerte noch weiter verbessert, d.h. verringert werden. Speziell der Stickoxidgehalt kann mittels eines Katalysators weiter verringert werden. Ebenfalls vom Erfindungsgedanken eingeschlossen ist die Verwendung eines Feinstaubfilters in der Abgasleitung, welcher bevorzugt vor einem zweiten Ventilator zum Ausblasen des Abgases angeordnet ist. Durch die erfindungsgemäße Hochtemperaturverbrennung entsteht jedoch sehr wenig Feinstaub, so dass ein Einsatz eines Feinstaubfilters ebenfalls nicht zwingend für die Einhaltung der derzeitigen Grenzwerten notwendig ist. Die derzeitigen Grenzwerte können aber in einer Zukunft geringer werden, so dass es evtl. bevorzugt ist, Feinstaubfilter und/oder Abgaskatalysatoren einzusetzen.
Der Austrag der Abgase über eine Abgasleitung, insbesondere über einen Kamin, erfolgt bevorzugt mit einer gesteuerten Zwangsführung durch den zweiten Ventilator, welcher in Abgasaus- Strömrichtung nach dem zweiten Abgaswärmetauscher angeordnet ist. Mit dem zweiten Abgasventilator kann speziell die Temperatur in der Brennkammer geregelt werden, indem der zweite Ventilator mehr oder weniger Abgas durch die Abgasleitung saugt bzw. in die Umgebung abgibt. Selbstredend muss der zweite Ventilator mit dem ersten Ventilator zusammenwirken und entsprechend gesteuert werden. Da die Brennluftzufuhr ebenfalls entscheidend für eine gute Verbrennung in der Brennkammer ist, kann der zweite Ventilator beispielsweise so gesteuert werden, dass er über den Restsauerstoffgehalt im Abgas seine Strömungsleistung regelt und in Abhängigkeit davon, der erste Ventilator ausreichend Brennluft von der Umgebung ansaugt. Die Steuerung der beiden Ventilatoren ist weiter abhängig von der Brennstoffzufuhr, da der Brennstoff die gespeicherte und somit in Wärme umwandelbare Energie einbringt und den Sauerstoff- bedarf für die Verbrennung vorgibt.
Welche Energiemenge letztendlich notwendig ist, wird durch das Fluid, welches im ersten Abgaswärmetauscher durch die heißen Verbrennungsgase der Brennstoffverbrennung erwärmt wird, vorgegeben. So ist die Durchströmung des ersten Abgaswärmetauschers mit einem Ar- beitsfluid, welches insbesondere für das Betreiben einer Dampfmaschine verdampft werden kann, ausschlaggebend für die Menge an einzusetzendem Brennstoff, was wiederum die Brennluftmenge und die Abgasmenge bestimmt. Durch die Verbrennung kohlenstoffbasierten Brennstoffs entstehen, wie bereits oben angedeutet, Kohlen-, Stickstoff- und Schwefeloxide, welche nach der Verbrennung meist gasförmig vorliegen. Bei bekannter, genau bestimmbarer Zusam- mensetzung des eingesetzten Brennstoffs kann somit die für die Verbrennung notwendige Brennluftmenge, als auch die durch die Abgasleitung abzugebende Abgasmenge bestimmt werden. Bevorzugt wird man jedoch die Abgas- bzw. Frischluftmenge über den Restsauerstoff- gehalt bzw. die Verbrennungstemperatur regeln, wodurch ebenfalls eine genaue Regelung der Brennluftzufuhr möglich ist. In vielen Fällen wird man die genaue Zusammensetzung des Brennstoffs, insbesondere bei gemischter Biomasse, nicht kennen, da insbesondere deren Gehalt an Kohlenstoffen bzw. deren Energiegehalt und Feuchtgehalt stark variiert.
Mit der erfindungsgemäßen Verbrennungsvorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verbrennungsverfahren können alle Arten von kohlenstoffbasierten Brennstoffen verarbeitet werden, da das Verfahren bzw. die Vorrichtung flexibel auf jede Art von Brennstoff durch Einstellen der zugeführten Brennluft, der abgeführten Abgase und der zugeführten Brennstoffmenge einfach und zuverlässig einstellbar ist. Dabei ist gewährleistet, - speziell durch die vierstufige Brennluftvor- wärmung - dass die Verbrennung in einem Hochtemperaturbereich erfolgt, wobei ein Geringstmaß an Schadstoffen im Abgas entsteht. Besonders hervorzuheben ist, dass bei der Hochtemperaturverbrennung durch das erfindungsgemäße Verbrennungsverfahren die Aschepartikel verglasen und so die Schwefel- und Stickoxide in den Aschepartikeln einschließen, wel- che sich im Brennraum bilden. Diese umweltschädlichen Stick- und Schwefeloxide werden dann als„Feststoffe" über die Ascheaustragvorrichtung ausgetragen. Die so ausgetragenen Stoffe können dann in einfacher Art und Weise einer weiteren Verwertung zugeführt werden, wobei insbesondere die Asche verbrannter Biomasse bevorzugt als Dünger einsetzbar ist. Damit die im Brennraum verglasenden Aschepartikel die Ascheaustragvorrichtung, insbesondere die Austragrinne und die Transportschnecke der Austragvorrichtung nicht verkleben, wird die Ascheaustragvorrichtung durch die zuströmende bereits zweifach vorgewärmte Brennluft gekühlt, womit die entstehenden Aschepartikel an den Bauteilen der Ascheaustragvorrichtung nicht kleben bleiben. Die Aschepartikel perlen sozusagen, aufgrund des hohen Temperaturun- terschieds zur Ascheaustragvorrichtung, an den Bauteilen der Ascheaustragvorrichtung ab, wodurch sie auf einfache Weise, d.h. mit geringem Energiebedarf, aus dem erfindungsgemäßen Erhitzer mittels der Ascheaustragvorrichtung ausgeschoben werden können. Damit hat speziell die dritte Vorwärmstufe einen zweifachen Effekt, der die Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. die Robustheit der erfindungsgemäßen Verbrennungsvorrichtung unter- stützt.
Optional kann zum Erreichen eines optimalen Gesamtwirkungsgrades des Fluiderhitzers das zu erwärmende und/oder zu verdampfende Arbeitsmedium, d.h. das eingesetzte zu erhitzende Fluid, beispielsweise in einem dritten Wärmetauscher, der von dem kalten Fluid und von dem abgekühlten Abgas durchströmt wird, vorgewärmt werden, wodurch der Energiebedarf für die letztendlich zu erreichende Temperatur des Fluids verringert wird. Bevorzugt wird ein solcher dritter Abgaswärmetauscher im Abgasstrom nach dem zweiten Wärmetauscher angeordnet sein, womit die aus dem zweiten Wärmetauscher austretenden Abgase, welche weiterhin gegenüber der Umgebung eine erhöhte Temperatur aufweisen, abgekühlt werden, indem sie ihre Wärme an das zu erwärmende Arbeitsmedium, im einfachsten Fall Wasser, abgeben. Durch die weitere Abkühlung der Abgase kann im optimalen Falle erreicht werden, dass die Abgase um- weltverträglich mit einer Temperatur entweichen, mit der sie die Umwelt nur wenig belasten.
In einer weiteren optionalen Ausführungsform kann der zugeführte Brennstoff über einen vierten Abgaswärmetauscher ebenfalls vorgewärmt werden. Der vierte Abgaswärmetauscher kann entweder in Abgasabströmrichtung nach dem dritten Abgaswärmetauscher für die Vorwärmung des Arbeitsfluids, oder nach dem zweiten Abgaswärmetauscher für die zweite Vorwärmung der Brennluft, angeordnet sein. Der vierte Abgaswärmetauscher für die Vorwärmung des Brennstoffs kann auch alternativ zum dritten Wärmetauscher für die Vorwärmung des Arbeitsmediums eingesetzt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform für den vierten Abgaswärmetauscher wird man diesen nach dem dritten Abgaswärmetauscher anordnen und einen Brennstoffspei- eher im Kreuzstrom durchströmen, in dem beispielsweise feuchte Biomasse gelagert wird, insbesondere Holzschnitzel oder dergleichen. Selbst wenn ein derartiger Brennstoffspeicher mit Abgasen durchströmt wird, die nur einen geringen Temperaturunterschied gegenüber der Brennstofftemperatur aufweisen, so reicht dies einerseits zur Vorwärmung des Brennstoffs aus, wodurch der Wirkungsgrad der Gesamtanlage verbessert werden kann. Andererseits hat es den zusätzlichen Effekt, dass der gegebenenfalls feuchte Brennstoff durch die warmen Abgase getrocknet wird. Allgemein lässt sich sagen, dass der Wirkungsgrad einer Verbrennung für kohlenstoffbasierte Brennstoffe umso effektiver abläuft, je trockener der der Verbrennung zugeführte Brennstoff ist. Mit einer Erwärmung des zuzuführenden Brennstoffes beispielsweise mit einem vierten Abgaswärmetauscher wird eine derartige Trocknung der zugeführten kohlenstoffbasier- ten Brennstoffe erreicht, wobei die Brennstoffe gleichzeitig in ihrem Temperaturniveau angehoben werden. Beides hat eine Verbesserung der Verbrennungstemperatur zur Folge.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verbrennung von kohlenstoffbasierten Brennstoffen durch die schrittweise Vorwärmung sowohl der Brennluft als auch gegebenenfalls des Brennstoffes in effizienter Weise eine sehr hohe Verbrennungstemperatur erreicht werden kann, mit welcher gleichzeitig eine niedrige Schadstoffkonzentration im Abgas erreicht wird. Durch die hohen Verbrennungstemperaturen ist es möglich, die verbrannten kohlenstoffbasierten Brennstoffe im Abgas zu verglasen, wodurch Stickoxide und Schwefeloxide in der Asche gebunden werden und nicht mit den Abgasen entweichen. Durch die effiziente Ausnutzung der heißen Abgase zur Vorwärmung der Eingangsstoffe für die Verbrennung wird eine effiziente Energieausnutzung des eingesetzten Brennstoffes erreicht und gleichzeitig eine Umweltbelastung durch hohe Tem- peraturdifferenzen gegenüber der Umgebung vermieden. Damit erreicht der erfindungsgemäße Fluiderhitzer bzw. das erfindungsgemäße Aufheizverfahren nicht nur einen sehr hohen Gesamtwirkungsgrad, sondern trägt insbesondere zu einer sehr umweltverträglichen Energiebereitstellung bzw. -Umwandlung bei.
Das von dem erfindungsgemäßen Fluiderhitzer bzw. dem erfindungsgemäßen Aufheizverfahren erwärmte Fluid kann hierbei in allen Verwendungsarten Eingang finden, in denen Wärmeenergie benötigt wird. Dies kann beispielsweise in Heizungsanlagen, Warmwasseraufbereitungsanlagen, Dampferzeugungsanlagen oder industriellen Prozessen der Fall sein, in denen erwärmte oder dampfförmige Medien benötigt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung werden nun anhand einer Figur für ein Ausführungsbeispiel beschrieben, welches den Erfindungsgedanken jedoch nicht begrenzt. Das Ausführungsbeispiel der Figur dient lediglich der besseren Anschaulichkeit und Erläuterung des erfindungsgemäßen Aufheizverfahrens und des erfindungsgemäßen Erhitzers. Weitere Ausführungsformen und Abwandlungen können, wie beispielsweise in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, ebenfalls ausgeführt werden.
Die Figur zeigt eine erfindungsgemäße Verbrennungsvorrichtung in schematischer Darstellung
Der erfindungsgemäße Fluiderhitzer 1 weist gemäß dem in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiel eine Brennkammer 2 auf, die mit einer Isolierung 2i versehen ist. In der Brennkammer 2 wird kohlenstoffhaltiger Brennstoff 20 über eine Brennstoffzuführvorrichtung 3 mittels einer Transportschnecke 35 in die Brennkammer 2 zur Verbrennung des Brennstoffs 20 gefördert. Gleichzeitig wird über Brennluftzuführungen 17 über ein die Brennstoffszuführschnecke 35 umfassendes Rohr 34 Brennluft 18 der Brennkammer 2 zugeführt. In der Brennkammer 2 erfolgt die Verbrennung des zugeführten Brennstoffs 20 mit vierfach vorgewärmter Brennluft 18 mit einer Temperatur bevorzugt über 1200°C, weiter bevorzugt über 1300°C und besonders bevorzugt über 1400°C. Die dabei entstehende Asche 14 verglast bei diesen hohen Temperaturen und bildet körnige, zumindest teilweise verglaste Aschenpartikel 19 aus, die nach unten in eine Ascheaustragvorrichtung 4 fallen. Zum Austragen der Asche 19 weist die Ascheaustragvorrichtung 4 eine Aschetransportschnecke 45 auf, welche die durch die Verbrennung anfallende Asche 19 kontinuierlich aus dem Brennraum 2 austrägt. Gleichzeitig wird das bei der Verbrennung entstehende Abgas 14 über eine Abgasleitung 13 aus dem Brennraum 2 geleitet.
Die über Brennluftzuführungen 17 der Brennkammer 2 zugeführte Brennluft 18 wurde vor ihrem Eintritt in die Brennkammer 2 durch ein vierstufiges Verfahren vorgewärmt und weist bei ihrem Eintritt in die Brennkammer 2 eine Temperatur von bevorzugt mehr als 300 'Ό, weiter bevorzugt mehr als 350 ^ und besonders bevorzugt mehr als 380 ^ auf. Diese hohen Temperaturen der vorgewärmten Brennluft werden insbesondere dadurch erreicht, dass die aus der Umgebung angesaugte Brennluft über Brennluftöffnungen 18a und Brennluftzuführungen 17 in das Gehäu- se 100 des Erhitzers 1 eingebracht und zunächst bevorzugt in der Isolierung 2i der Brennkammer 2 entlang geführt wird. Zur Brennluftvorwärmung in der Isolierung 2i der Brennkammer 2 sind die Brennluftführung 17 bevorzugt in die Wärmeisolierung der Brennkammer 2 integriert. Zusätzlich, jedoch optional kann Brennluft auch aus dem Inneren des Gehäuses 100, bspw. über einen Ansaugstutzen 16, angesaugt werden. Das Temperaturniveau im Inneren des Ge- häuses 100 liegt deutlich über dem der Umgebung des Gehäuses 100, da die isolierten Baugruppen des erfindungsgemäßen Fluiderhitzers trotz einer sehr guten Wärmeisolierung - welche jedoch niemals 100%-ig sein kann - geringe Wärmemengen an das Gehäuseinnere abgeben und so die darin befindliche Luft erwärmen. Dabei sind Temperaturen von 30 °C und höher messbar. Selbstredend ist auch das Gehäuse 100 des erfindungsgemäßen Fluiderhitzers ge- genüber der Umgebung wärmeisoliert.
Zum Erzeugen einer Brennluftströmung durch die Isolierung 2i der Brennkammer 2 ist ein erster Ventilator 9 vorgesehen, der bevorzugt in Brennluftströmungsrichtung vor dem zweiten Abgaswärmetauscher 5 angeordnet ist, und der die zur Verbrennung bestimmte Brennluft 18 durch die Wärmeisolierung 2i der Brennkammer 2 hindurchsaugt und, optional, vorgewärmte Brennluft 18 zusätzlich aus dem Inneren des Gehäuses 100 über den Ansaugstutzen 16 ansaugt. Auf der Abblasseite des ersten Ventilators 9 wird die vorgewärmte Brennluft 18 weiter über Brennluftzuführungen 17 einem zweiten Abgaswärmetauscher 6 zugeführt, durch welchen die nun einmal vorgewärmte Brennluft 18 bevorzugt im Gegenstrom mit den heißen Abgasen 14, die aus dem ersten Abgaswärmetauscher 5 ausströmen, in einer zweiten Vorwärmstufe weiter vorgewärmt wird. Im ersten Abgaswärmetauscher 5 strömt dabei das heiße bei der Verbrennung entstehende Abgas 14 als wärmeabgebendes Medium und das durch den Fluiderhitzer zu erwärmende Fluid 12 als wärmeaufnehmendes Medium im Kreuz- oder Gegenstrom. Nach Verlassen der zweiten Vorwärmstufe, d.h. des zweiten Abgaswärmetauschers 6 wird die so nun zweifach vorgewärmte Brennluft 18 über weitere Brennleitungen 17 weiter zur Ascheaustragvorrichtung 4 geleitet. Die Ascheaustragvorrichtung 4 weist Hohlräume 40 auf, durch den die Brennluft 18 strömen und sich erwärmen kann. Das Durchströmen der Brennluft 18 durch die Hohlräume 40 der Ascheaustragvorrichtung 4 stellt somit eine dritte Vorwärmstufe dar, wel- che die Brennluft weiter erwärmt. Nach Durchströmen der Hohlräume 40 wird die nun dreimal vorgewärmte Brennluft 18 über weitere Brennluftführungen 17 der Brennstoffzuführvorrichtung 3 zugeführt. Dort tritt sie in Hohlräume 30 der Brennstoffzuführvorrichtung ein, die beispielsweise als ein Ringspalt 30 ausgebildet sind, der durch ein die Brennstoffführungsvorrichtung 3 umgebenden Rohres 33 und ein das Rohr 33 koaxial umgebendes Rohr 34 gebildet wird. Das Rohr 34, durch den die Brennluft 18 in die Brennkammer 2 eintreten kann, wird dabei von der Verbrennung zumindest durch die Strahlungswärme erhitzt, wodurch die Verbrennungsluft 18 vor dem Eintritt in die Brennkammer 2 ein viertes Mal vorgewärmt wird.
Diese vierte Vorwärmstufe endet dabei bevorzugt an der Feuerungsstelle, an der auch der Brennstoff 20 zugeführt wird. In Abhängigkeit von der Art der Brennstoffzuführung, welche wiederum abhängig vom verwendeten Brennstoff 20 ist, gelangt die Verbrennungsflamme direkt bis an das Rohr 34 oder ist von dieser beabstandet. Beispielsweise wird bei der Verwendung gasförmiger Brennstoffe die Flamme durch den Überdruck der Gaszuführung in den meisten Fällen beabstandet vom Rohrende des Rohres 34 sein und das Rohr 34 nicht direkt beaufschlagen. Jedoch wird auch in diesem Falle das Rohr 34 zumindest durch die Strahlungswärme erhitzt, wodurch die vierte Vorwärmstufe selbst bei der Verwendung von gasförmigen kohlenstoffbasier- ten Brennstoffen 20 verwirklicht wird.
Das bei der Verbrennung entstehende Abgas 14 wird, wie in der Figur dargestellt, bevorzugt über Schikanen bzw. Prallflächen in der Brennkammer 2 umgeleitet und dem Ausgang der Brennkammer 2 zugeleitet und gelangt dann über eine Abgasableitung 13 in den ersten Abgas- Wärmetauscher 5. Der erste Abgaswärmetauscher 5 wird dabei vom zu erwärmenden und/oder zu verdampfenden Fluid 12 durchströmt, welches zumindest teilweise die Wärmeenergie des Abgases 14 aufnimmt. In der Figur ist dabei ein Kreuzstromwärmetauscher beispielhaft dargestellt, wobei das Fluid 12 im oberen Teil des ersten Abgaswärmetauschers 5 eintritt und den Wärmetauscher 5 im unteren Bereich verlässt. Bei Verlassen des Wärmetauschers 5 hat das Fluid 12 bevorzugt eine für die Weiterverwendung vorgegebene Temperatur. Durch Steuerung der Durchflussgeschwindigkeit des Fluids 12 und /oder des Abgases 14 durch den ersten Abgaswärmetauscher 5 können die Temperaturen der beiden Medien, insbesondere die Flui- daustrittstemperatur, beeinflusst werden. Wie weiter in der Figur dargestellt, erreicht das Fluid 12 in einem anderen optionalen Ausführungsbeispiel bereits vorgewärmt den ersten Abgaswärmetauscher 5, wobei die Vorwärmung in einem dritten Abgaswärmetauscher 7 erfolgt. Der dritte Abgaswärmetauscher ist in der Figur beispielsweise als Gegenstromrohrwendelwärmetauscher 7 dargestellt, in dem das aus dem zweiten Abgaswärmetauscher 6 austretende Abgas 14 als wärmeabgebendes Medium im Ge- genstrom zum wärmeaufnehmenden kalten Fluid 12 geführt wird. Hiermit wird zum einen erreicht, dass das Fluid 12 vorgewärmt wird, wodurch der Energieaufwand zum Erreichen einer vorbestimmten Temperatur am Austritt des Fluids 12 aus dem erfindungsgemäßen Fluiderhitzer 1 erzielt wird. Andererseits wird erreicht, dass die Abgastemperatur weiter gesenkt wird, wodurch Beeinflussungen, aufgrund hoher Temperaturunterschiede, mit der Umwelt vermieden werden. In einer weiteren optionalen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbrennungsvorrichtung wird das Abgas 14 nach Verlassen des dritten Abgaswärmetauschers 7 - so wie dies rein beispielhaft in der Figur dargestellt ist - einem vierten Abgaswärmetauscher 8 zugeführt, in dem das Abgas 14 den für die Verbrennung bestimmten Brennstoff 20 vorwärmt. In der Figur ist die Brennstoffvorwärmung durch den vierten Abgaswärmetauscher 8 als gewendelte Abgasleitung 13 in einem Brennstoffspeicher beispielhaft dargestellt, was aber nur eine von vielen Möglichkeiten darstellt. Eine solche Ausführungsform ist beispielsweise dann denkbar, wenn der für die Verbrennung bestimmte Brennstoff 20 ein Schüttgut ist, beispielsweise Holzpellets. Es können aber auch Holzschnitzel oder andere feuchte Biomasse verwendet werden. Wird feuchte Biomasse verwendet, so kann durch die erfindungsgemäße Durchleitung einer Abgasrohrwendel durch den Brennstoffspeicher der Feuchtigkeitsgehalt des Brennstoffes 20 reduziert werden, was wiederum den Brennwert/Heizwert des eingesetzten Brennstoffes 20 steigert und damit den Wirkungsgrad des gesamten Fluiderhitzers anhebt.
Beispielhaft ist in der Figur nach dem vierten Abgaswärmetauscher 8 ein zweiter Ventilator 10 vorgesehen, welcher der Zwangsführung des Abgases 14 dient, bzw. der gewährleistet, dass das Abgas durch die einzelnen Abgaswärmetauscher gesaugt wird. Da sowohl der dritte Abgaswärmetauscher 7 als auch der vierte Abgaswärmetauscher 8 optional sind, kann das zweite Gebläse 10 direkt nach dem zweiten Abgaswärmetauscher 6 angeordnet sein, und das bei der Verbrennung entstehende Abgas 14 über die Abgasleitung 13 aus dem Fluiderhitzer herauslei- ten. Weiter optional kann, speziell bei Anordnung eines dritten und/oder gar vierten Abgaswärmetauschers 7 und/oder 8, ein zusätzliches Gebläse 1 1 in der Abgasableitung 13 zwischen dem zweiten und dem dritten Abgaswärmetauschers 6 und 7 vorgesehen werden, damit eine kontrollierte Abgasführung aufgrund der Erhöhung der Strömungswiderstände gewährleistet ist. Mit der um den erfindungsgemäßen Fluiderhitzer 1 dargestellten Linie 100 wird angedeutet, dass die gesamte Verbrennungsvorrichtung innerhalb eines Gehäuses 100 mit einer Isolierung 100i aufgenommen ist, wodurch die einzelnen Baugruppen, welche für sich alleine zusätzlich isoliert sind, darüberhinaus gegenüber der Umgebung weiter isoliert werden. Im Betrieb einer erfindungsgemäßen Verbrennungsvorrichtung können somit innerhalb der Isolierung 100i Tem- peraturen im Bereich zwischen 30 °C und 80 °C in einzelnen Fällen sogar noch mehr, auftreten, welche wiederum dafür sorgen, dass die der Verbrennung zuzuführenden Produkte, d.h. der Brennstoff 20 sowie die Brennluft 18 als auch das zu erwärmende Arbeitsfluid 12 effektiv vor- gewärmt werden und so der Energiebedarf für die zu erzielende Erwärmung bzw. Verdampfung des Arbeitsfluids 12 auf ein Minimum reduziert wird. Dies ist gleichbedeutend mit einem größtmöglichen Wirkungsgrad für die Umwandlung von festem, flüssigem oder gasförmigme Brennstoff 20 Form mit einem vorgegebenen Heizwert in Wärmeenergie, welche in Form des erhitzten Fluids 12 beispielsweise zur Erzeugung mechanischer oder elektrischer Energie verwendet werden kann oder der Erwärmung von Gebäuden oder anderen Medien zur Verfügung steht.
Der in der Figur dargestellte erfindungsgemäße Fluiderhitzer 1 zeigt dabei lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel, welches den Erfindungsgedanken der vierstufigen Vorwärmung der Brennluft 18 zum Erzielen einer Hochtemperaturverbrennung mit Ascheverglasung zur Schadstoffreduzierung in den Abgasen 14 nicht einschränkt.
Bezugszeichenliste
1 Fluiderhitzer
2 Brennkammer
2i Isolierung Brennkammer
3 Bren nstof f zuf ü h rvo rrichtu ng
4 Ascheaustragvorrichtung
5 erster Abgaswärmetauscher
6 zweiter Abgaswärmetauscher
7 dritter Abgaswärmetauscher
8 vierter Abgaswärmetauscher
9 erster Ventilator
10 zweiter Ventilator
1 1 dritter Ventilator
1 1 a Feinstaubfilter
1 1 b Abgaskatalysator
12 (Arbeits-) Fluid
12a Öffnung für Fluidzufuhr
13 Abgasableitung
14 Abgas
14a Öffnung für Abgasableitung
16 Ansaugstutzen für Brennluft
17 Brennluftzuführleitungen
18 Brennluft
18a Öffnung für Brennluftzufuhr
19 Asche (-partikel)
19a Öffnung für Ascheableitung
20 Brennstoff
20a Öffnung Brennstoffzufuhr
30 Hohlräume in Brennstoffzuführvorrichtung
33 Rohr
34 Rohr
35 Transportschnecke für Brennstoff
40 Hohlräume in Ascheaustauschvorrichtung
44 Rinne
45 Transportschnecke für Ascheaustrag
100 Gehäuse Fluiderhitzer
100i Isolierung Verbrennungsvorrichtung

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Erhitzen eines Fluids (12) durch Verbrennung von kohlenstoffbasierten Brennstoffen mit einer in einem wärmeisolierten Gehäuse (100) aufgenommenen Verbrennungsvorrichtung aufweisend eine Brennkammer (2), eine Brennstoffzuführvorrichtung (3), eine Ascheaustragvorrichtung (4) sowie einen ersten (5) und einen zweiten Abgaswärmetauscher (6), wobei die für die Verbrennung bestimmte Brennluft (18) über Öffnungen (18a) in das Gehäuse (100) geleitet wird, in dem die Brennluft (18): zunächst in einer ersten Vorwärmstufe durch einen ersten Ventilator (9) entlang einer Isolierung (2i) der Brennkammer (2) in Bennluftzuführungsleitungen (17) zwangsgeführt und/oder von dem ersten Ventilator (9) innerhalb des Gehäuses (100) in Bennluftzuführungsleitungen (17) gesaugt wird, in einer zweiten Vorwärmstufe mittels des zweiten Abgaswärmetauschers (6) weiter erwärmt wird, wobei der zweite Abgaswärmetauscher (6) mit der erwärmten Brennluft (18) nach der ersten Vorwärmstufe und mit heißen aus dem ersten Abgaswärmetauscher (5) austretenden Abgasen (14) durchströmt wird, wobei der erste Abgaswärmetauscher (5) zur Erwärmung und/oder zur Verdampfung des Fluids (12) dient und mit den heißen Abgasen (14) der Verbrennung durchströmt wird, in einer dritten Vorwärmstufe durch Hindurchleiten der in der zweiten Vorwärmstufe erwärmten Brennluft (18) durch Hohlräume (40) in der Ascheaustragvorrich tung (4) weiter erwärmt wird, wobei die Ascheaustragvorrichtung (4) von der durchströmenden Brennluft (18) gekühlt wird, und in einer vierten Vorwärmstufe durch Hindurchleiten der in der dritten Vorwärmstu fe erwärmten Brennluft (18) durch Hohlräume (30) in der Brennstoffzuführvorrichtung (3) noch weiter erwärmt der Brennkammer zugeführt wird, wobei die Hohlräume (30) in der Brennstoffzuführvorrichtung (3) zumindest durch die Strahlungswärme der Verbrennung erhitzt werden. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Brennluft (18) von dem ersten Ventilator (9) dem zweiten Abgaswärmetauscher (6) als wärmeaufnehmendes Fluid (12) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Abgase (14) nach der Verbrennung durch einen zweiten Ventilator (10) zwangsgeführt über eine Abgasableitung (13) aus der Verbrennungsvorrichtung ausgebracht werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Durchsatz an Brennluft (18) über den ersten Ventilator (9) derart gesteuert wird, dass die Brennlufttemperatur nach dem Austritt aus der Ascheaustragvorrichtung (4) mehr als 300° C, bevorzugt mehr als 350 °C, besonders bevorzugt mehr als 380 °C beträgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Durchsatz der Abgase (14) durch die Abgasleitung (13) über den zweiten Ventilator (10) derart gesteuert wird, dass die Verbrennungstemperatur der Verbrennung des kohlenstoffbasierten Brennstoffs (18) mehr als 1200°C, bevorzugt mehr als 1300 °C, besonders bevorzugt mehr als 1400°C beträgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das durch die Verbrennung zu erwärmende und/oder zu verdampfende Fluid (12) in einem dritten Abgaswärmetauscher (7), der von dem kalten Fluid (12) und von dem Abgas (14) durchströmt wird, vorgewärmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der zu verbrennende Brennstoff (18) in einem vierten Abgaswärmetauscher (8), der von dem Brennstoff (20) und von dem Abgas (14) durchströmt wird, vorgewärmt wird.
Fluiderhitzer (1 ) zum Erwärmen und/oder Verdampfen eines Fluids durch Verbrennung von kohlenstoffbasierten Brennstoffen (20) aufweisend ein Gehäuse (100) mit Brennluft- einlassöffnungen (18a), eine wärmeisolierte Brennkammer (2), eine Brennstoffzuführvorrichtung (3), eine Ascheaustragvorrichtung (4) sowie einen ersten Abgaswärmetauscher (5) zum Erwärmen und/oder Verdampfen des Fluids (12) und einen zweiten Abgaswärmetauscher (6) in einer Abgasableitung (13), der mit den Abgasen (14) aus dem ersten Abgaswärmetauscher (5) kommend durchströmbar ist, wobei zwischen der Wärmeisolierung (2i) der Brennkammer (2) Brennluftführungen (17) für ein erstes Vorwärmen von Brennluft (18) vorgesehen sind, und die vorgewärmte Brennluft (18) von einem ersten Ventilator (9) zwangsgeführt über weitere Brennluftführungen (17) von der ersten Vorwärmung zu einer zweiten Vorwärmung durch den zweiten Abgaswärmetauscher (7) und weiter zu einer dritten Vorwärmung durch Hohlräume (40) in der Ascheaustragvorrichtung (4) und weiter zu einer vierten Vorwärmung durch Hohlräume (34) in der Brennstoffzuführvorrichtung (3) in die Brennkammer (2) einleitbar ist.
Fluiderhitzer (1 ) nach Anspruch 8, bei dem der erste Ventilator (9) zur Zwangführung der Brennluft (18) in den Brennluftführungen (17) in Brennluftstömungsrichtung nach der Isolierung (2i) der Brennkammer (2) und vor dem zweiten Abgaswärmetauscher (6) angeordnet ist.
Fluiderhitzer (1 ) nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die Brennluftführungen (17) in der Wärmeisolation (2i) der Brennkammer (2) integral ausgebildet sind.
Fluiderhitzer (1 ) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem in der Abgasableitung (13) in Strömungsrichtung der Abgasableitung nach dem zweiten Abgaswärmetauscher (6) ein dritter Abgaswärmetauscher (7) zum Vorwärmen des Fluids (12) vorgesehen ist.
Fluiderhitzer (1 ) nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1 , bei dem in der Abgasableitung (13) in Strömungsrichtung der Abgasableitung nach dem zweiten Abgaswärmetauscher ein vierter Abgaswärmetauscher zum Vorwärmen des Brennstoffs vorgesehen ist.
Fluiderhitzer (1 ) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei dem die Brennstoffzuführvorrichtung (3) durch eine koaxial in einem Rundrohr (33) geführte Transportschnecke (35) ausgebildet ist, wobei das Rundrohr (33) von einem weiteren Rohr (34) für die Brennluftzuführung zur Brennkammer (2) über einen Ringspalt (30) erfolgt.
Fluiderhitzer (1 ) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, bei dem die Ascheaustragvorrichtung (4) eine Transportschnecke (45) zum Ascheaustrag aufweist, die in einer nach oben zur Brennkammer (2) hin offenen Rinne (44) geführt ist, wobei die Rinne (44) in Längsrichtung ausgebildete Hohlräume (40) aufweist, durch die die Brennluft (18) zur Vorwärmung leitbar ist.
15. Fluiderhitzer (1 ) nach einem der Ansprüche 8 bis 14, bei dem der erste (5), der zweite (6), der dritte (7) und/oder der vierte Abgaswärmetauscher (8) Kreuzstromwärmetauscher oder Gegenstromwärmetauscher sind.
16. Fluiderhitzer (1 ) nach einem der Ansprüche 8 bis 15, bei dem in der Abgasableitung (13) in Strömungsrichtung der Abgasableitung vor dem zweiten Ventilator (10) ein Feinstaubfilter (1 1 a) und/oder Abgaskatalysator (1 1 b) zur Abgasreinigung vorgesehen ist. 17. Fluiderhitzer (1 ) nach einem der Ansprüche 8 bis 16, bei dem der erste Abgaswärmetauscher (5) für die Erwärmung und/oder Verdampfung des Fluids (12) als ein im wesentlichen gerades Rohr, eine gewendelte Rohschlange oder als Plattenwärmetauscher ausgebildet ist, der vom Fluid (12) durchströmt wird.
PCT/EP2012/070649 2011-10-20 2012-10-18 Verfahren und vorrichtung zur fluiderwärmung durch verbrennung kohlenstoffbasierter brennstoffe WO2013057187A2 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102011084902A DE102011084902B3 (de) 2011-10-20 2011-10-20 Verfahren und vorrichtung zur fluiderwärmung durch verbrennung kohlenstoffbasierter brennstoffe
DE102011084902.5 2011-10-20

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2013057187A2 true WO2013057187A2 (de) 2013-04-25
WO2013057187A3 WO2013057187A3 (de) 2013-06-06

Family

ID=47115866

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2012/070649 WO2013057187A2 (de) 2011-10-20 2012-10-18 Verfahren und vorrichtung zur fluiderwärmung durch verbrennung kohlenstoffbasierter brennstoffe

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102011084902B3 (de)
WO (1) WO2013057187A2 (de)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106016343A (zh) * 2016-07-12 2016-10-12 江苏大学 一种燃煤锅炉组合式空气预热器
CN111853821A (zh) * 2020-06-28 2020-10-30 无锡戴维环保设备制造有限公司 一种废气高温焚烧余热回收装置
CN115040969A (zh) * 2022-06-07 2022-09-13 安徽紫科环保科技有限公司 一种汽车烘干废气处理装置
AT515892A3 (de) * 2014-06-03 2023-12-15 Lehner Bruno Heizhaus im Freien mit Wärmerückgewinnung

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017113308A1 (de) * 2017-06-16 2018-12-20 Rudolf Leicht Hocheffizientes Rekuperations-Gasbrennersystem in kostengünstiger modularer Bauweise für Wärmekraftmaschinen, Öfen und Herde in Gastronomie und Kleingewerbe

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3626933C2 (de) 1986-08-08 1989-05-18 Kernforschungsanlage Juelich Gmbh, 5170 Juelich, De
DE3343024C2 (de) 1983-11-28 1992-04-30 Waermetechnik Dr. Pauli Gmbh, 8035 Gauting, De
DE69628280T2 (de) 1995-01-05 2004-03-25 Foster Wheeler Energia Oy Wirbelbettanordnung mit durchflussausgleich

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE27948C (de) * H. BAUM in Höchst a. M Verfahren zur Darstellung von Farbstoffen durch Einwirkung der Anhydride organischer Säuren auf die Halogensalze primärer, sekundärer und tertiärer aromatischer Amine
US4466358A (en) * 1981-06-04 1984-08-21 Christian J Vernon Solid fuel warm air furnace
FR2518709A1 (fr) * 1981-12-18 1983-06-24 Chaudronnerie Oise Chaudiere a bois
US5893358A (en) * 1997-11-04 1999-04-13 Pyro Industries, Inc. Pellet fuel burner for heating and drying systems
US20110136066A1 (en) * 2009-12-09 2011-06-09 Geselle James B Bio-fuel furnace

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3343024C2 (de) 1983-11-28 1992-04-30 Waermetechnik Dr. Pauli Gmbh, 8035 Gauting, De
DE3626933C2 (de) 1986-08-08 1989-05-18 Kernforschungsanlage Juelich Gmbh, 5170 Juelich, De
DE69628280T2 (de) 1995-01-05 2004-03-25 Foster Wheeler Energia Oy Wirbelbettanordnung mit durchflussausgleich

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT515892A3 (de) * 2014-06-03 2023-12-15 Lehner Bruno Heizhaus im Freien mit Wärmerückgewinnung
CN106016343A (zh) * 2016-07-12 2016-10-12 江苏大学 一种燃煤锅炉组合式空气预热器
CN111853821A (zh) * 2020-06-28 2020-10-30 无锡戴维环保设备制造有限公司 一种废气高温焚烧余热回收装置
CN115040969A (zh) * 2022-06-07 2022-09-13 安徽紫科环保科技有限公司 一种汽车烘干废气处理装置

Also Published As

Publication number Publication date
DE102011084902B3 (de) 2013-02-28
WO2013057187A3 (de) 2013-06-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2230477B1 (de) Holzspantrocknungsanlage zum Trocknen von Holzspänen und zugehöriges Verfahren zum Trocknen von Holzspänen
DE102011084902B3 (de) Verfahren und vorrichtung zur fluiderwärmung durch verbrennung kohlenstoffbasierter brennstoffe
DE19654043C2 (de) Trockner mit Abgasreinigung mittels thermischer Nachverbrennung
EP2787279B1 (de) Verfahren zum Betrieb eines Festbrennstoffheizkessels und Festbrennstoffheizkessel
WO2008095524A2 (de) Verfahren und anlage zur trocknung von staubförmigen, insbesondere einer vergasung zuzuführenden brennstoffen
AT519471B1 (de) Verkohlungsanlage
EP2136138A2 (de) Sudhausanlage mit Filtrationseinrichtung und Verfahren zur thermischen Verwertung von feuchten Filtrationspartikeln
DE202014004445U1 (de) Vorrichtung zur Pflanzenkohleherstellung
DE202013001669U1 (de) Anlage mit Biomassen-Mischverbrennung
DE102010014479B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Heißgaserzeugung mit integrierter Erhitzung eines Wärmeträgermediums
EP3008383B1 (de) Kleinfeuerungsanlage mit einbau
WO2003033623A1 (de) Verfahren zur stromerzeugung aus kohlenstoffhaltigem material
WO2002083815A1 (de) Anlage und verfahren zur energiegewinnung durch pyrolyse
EP2787280A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Verbrennung von rieselfähigem, festem Brennstoff
EP1918015A1 (de) Rauchgas-Äquilibrierung in Müllverbrennungsanlagen
EP3491293B1 (de) Gestufte feuerung
DE4312900C2 (de) Verfahren und Anordnung zum Betrieb einer Vorfeuerung mit Biostoff-Verbrennung für einen kohlenstaubgefeuerten Dampfkessel
EP3105504B1 (de) Verfahren zum betreiben einer kleinstfeuerungsanlage für biogene festbrennstoffe und kleinstfeuerungsanlage
DE102019114571B4 (de) Verbrennungsoptimierungseinrichtung zur Emissionsreduzierung in Rauchgas, Holzbackofen mit einer Verbrennungsoptimierungseinrichtung sowie deren Verwendung
EP2952558A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Pflanzenkohleherstellung
EP3859207A1 (de) Verbrennungsanlage mit wärmespeicher
DE202018102029U1 (de) Verbrennungsofen
DE202006015512U1 (de) Holzpellet-Blockheizkraftwerk
AT512014A1 (de) Vorrichtung und verfahren zur verbrennung von rieselfähigem, festem brennstoff
EP1916478A2 (de) Heißgasbetriebene Trocknungsvorrichtung

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 12780467

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 12780467

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2