[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbrennen und Vergasen von festen
Biomassen in einem Brennraum.
[0002] Es ist schon seit langem das Problem bekannt, daß insbesonders die Industriestaaten
zuviel Kohlendioxid emittieren. Von vielen Nationen wurde die Nutzung von festen Biomassen
zur Kraft- und Wärmeerzeugung als wichtiger Beitrag zur Verminderung dieses Treibhausgases
erkannt.
[0003] Die Nutzung von festen Biomassen, insbesondere von Stroh und Ganzjahrespflanzen,
ist allerdings technisch aufwendig und teuer. Bei der Handhabung und Lagerung ist
zunächst die geringe Energiedichte dieser Brennstoffe nachteilig; deswegen werden
diese Brennstoffe in der Regel schon bei der Ernte kompaktiert, also z. B. in stapelbare
Ballen gepreßt. Auch Altpapiere und Altkartons werden, sofern ihre Qualität derart
gering ist, daß sie besser dem Papierrecycling-Prozeß entzogen werden sollten, in
Ballen gepreßt und zur weiteren Behandlung zur Verfügung gestellt. Von der Verbrennungstechnik
gesehen haben diese Brennstoffe, insbesondere Stroh die unangenehme Eigenschaft, daß
die Verbrennung entweder sehr träge oder galoppierend erfolgt ("Strohfeuer").
[0004] Bei bekannten Verfahren zum Verbrennen von festen Biomassen werden die bei der Ernte
kompaktierten Ballen in Scheiben geschnitten und in der Folge werden diese Scheiben
auf einem Rost verbrannt.
[0005] Da Biomasse dazu neigt, entweder sehr schlecht zu brennen, besonders wenn sie sehr
feucht oder das Haufwerk schlecht gasdurchlässig ist, oder fast schlagartig zu verbrennen,
ist eine spezielle Rostkonstruktion mit einer ständigen Durchmischung des Brenngutes
vorzusehen, ähnlich wie bei einem Müllkessel. Diese Rostkonstruktionen, wie z. B.
der Walzenrost, der Schürrost, etc. sind mechanisch aufwendig und teuer. Die gesamte
Rostfläche ist auf eine niedrige Luftdurchströmgeschwindigkeit auszulegen, weil sonst
örtlich die leichte Biomasse davonfliegen kann und sich sogenannte Durchblaser bilden
(das sind Rostflächenbereiche, die kein Brennstoffbett aufweisen und ungenutzt von
einer Luftmenge - die zur Verbrennung vorgesehen wäre - durchströmt werden). Weiters
ist der große Feuerraum zu erwähnen, der mit einer Ausmauerungsmasse versehen ist,
um die Zündung des Brennstoffes zu begünstigen. Das Resultat sind teuere, schwere
und auch platzaufwendige Kessel, die auch eine extrem lange Vorlaufphase bis zur Vollast
benötigen.
[0006] Bei einem weiteren bekannten Verfahren werden die Ballen bzw. die Biomasse weitgehend
zerkleinert und pulverisiert. Nach einer eventuellen Trocknung wird die so aufbereitete
Biomasse einer besonderen stationären oder zirkulierenden Feuerung zugeführt. Anders
als bei Kohle ist aber diese Aufbereitung extrem teuer und energieaufwendig, sodaß
es sich hier um ein selten angewendetes und für Kleinanlagen in der Regel zu aufwendiges
Verfahren handelt.
[0007] Die Erfindung hat es sich daher zum Ziel gesetzt, ein Verfahren zum Verbrennen und
Vergasen von festen Biomassen in einem Brennraum zu schaffen, bei dem weder aufwendige
Kesselkonstruktionen vonnöten sind, noch eine besondere Vorbereitung der Biomassen
vor der Verfeuerung notwendig ist.
[0008] Erreicht wird dies dadurch, daß in Abhängigkeit vom Abbrand in Ballen gepreßter Biomasse
durch gezieltes Auftreffen von Luftstrahlen mindestens ein Brennfleck erzeugt wird,
sodaß durch Weiterwandern dieses Brennfleckes auf den bzw. in den Ballen dieser abgebrannt
wird.
[0009] Um eine vollständige Verbrennung des Ballen zu gewährleisten ist es zweckmäßig, daß
sich der Ballen und die die Luftstrahlen steuernden Luftdüsen relativ zueinander bewegen.
[0010] Um den Nachschub von brennbaren Biomassen zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, daß
in einen Brennraum ein etwa waagrechter Vorschubkanal für den Ballen mündet. Dabei
sind gegenüber diesem Vorschubkanal die die Luftstrahlen steuernden Luftdüsen angeordnet.
Da die zu vergasenden oder zu verbrennenden festen Biomassen in der Regel aus Stroh
und Ganzjahrespflanzen gepreßt werden, sind die dabei entstehenden Ballen kein vollständig
homogenes Material und es besteht die Gefahr, daß sich außen liegende Partikel vom
Ballen lösen. Um nun ein leichtes und vollständiges Vorschieben der Biomassen im Vorschubkanal
zu gewährleisten, ist es im Rahmen der Erfindung zweckmäßig, wenn dieser Vorschubkanal
im Querschnitt die Form eines auf die Spitze gestellten Rechteckes, vorzugsweise eines
Quadrates aufweist.
[0011] Zum Zwecke der Initialzündung und zur Unterstützung der Verbrennung der Biomassen
kann im Bereich der Luftdüsen ein Zündschirm angeordnet sein.
[0012] Da durch das gezielte Auftreffen von Luftstrahlen mindestens ein Brennfleck erzeugt
wird, der zum Verbrennen respektive Vergasen der Biomassen führt, ist ein Weiterwandern
dieses Brennfleckes auf den bzw. in den Ballen für eine möglichst vollständige Verbrennung
notwendig. Um ein für den Abbrand besonders vorteilhaftes Brennverhalten zu erreichen,
ist es im Rahmen der Erfindung möglich, daß die Luftstrahlen gegenüber der Vorschubrichtung
des Ballens geneigt sind.
[0013] Zum gleichen Zweck sind bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung mehrere übereinander
angeordnete Luftdüsen einem Steuerorgan zugeordnet, das die Luftdüsen der Reihe nach
mit Luft beaufschlagt. Zusätzlich ist es für ein besonders rückstandsfreies Abbrennen
(Vergasen) möglich, wenn die Luftdüsen der Reihe nach von oben nach unten in Abhängigkeit
vom Abbrand der Biomassen mit Luft beaufschlagt werden.
[0014] In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, daß
gegenüber dem ruhenden Ballen zu diesem hin bewegbare Luftdüsen angeordnet sind. Auch
bei dieser Ausführungsform wird eine relative Bewegung des Ballens und der Luftdüsen
erreicht, sodaß es zu einem gewünschten möglichst rückstandsfreien Verbrennen oder
Vergasen der Biomassen kommt.
[0015] Nachstehend ist die Erfindung anhand von 5 Ausführungsbeispielen beschrieben, ohne
auf diese Beispiele beschränkt zu sein. Dabei stellt Fig. 1 einen Schnitt durch eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens in einer ersten Ausführungsform
dar; Fig. 2 zeigt die selbe Vorrichtung mit einem zum Abbrand eingeschobenen Ballen;
weiters zeigt Fig. 3 einen Schnitt durch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens dieser ersten Ausführungsform entlang der Linie A-A in Fig. 1. Die Fig.
4, 5, 6 und 7 stellen jeweils weitere Schnitte durch Vorrichtungen zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens in jeweils weiteren Ausführungsformen dar.
[0016] Gemäß der Fig. 1 wird ein aus Biomasse gepreßter Ballen 1 im Ganzen über ein Verschlußorgan
2 in einen Schleusenraum 3 der erfindungsgemäßen Vorrichtung gebracht. Unter Zuhilfenahme
einer Vorschubeinrichtung 4 wird der Ballen 1 durch einen Vorschubkanal 5 kontinuierlich
oder schrittweise gegen den Brennraum 6 geschoben.
[0017] Nicht dargestellt ist, daß der Vorschubkanal 5 an seiner Außenseite z. B. mit kalter
Verbrennungsluft oder mit Wasser gekühlt werden kann.
[0018] Der Vorschubkanal 5 wird über eine Zuleitung 7 mit einem innerten Gas, beispielsweise
mit Dampf oder einem Rauchgas, beaufschlagt, um ein Zurückbrennen in den Schleusenraum
3 zu vermeiden.
[0019] Gemäß der Fig. 2 ist der Ballen 1 in Verbrenn- respektive Vergasstellung in den Brennraum
6 eingeschoben.
[0020] Im Brennraum 6 ist gegenüber der Stirnfläche des eingeschobenen Ballens 1 ein Zündschirm
8 angeordnet. Dieser Zündschirm 8, der für eine Primärentzündung beheizbar ausgebildet
sein kann, ist eine nur schwach gekühlte Fläche mit sehr gutem Speichervermögen. Bei
praktischen Versuchen hat sich dickes feuerfestes Blech und eine feuerfeste Ausmauerungsmasse
bewährt. Durch die teilweise oder vollständig stattfindende Verbrennung wird der Zündschirm
8 heiß und es wird dadurch das Zurückwerfen von Strahlungswärme auf den Ballen 1 ermöglicht.
[0021] Im Zündschirm 8 sind Luftdüsen 9 angeordnet, mittels derer Luftstrahlen auf die Stirnfläche
des Ballens 1 gelenkt werden. Die benötigte Luft wird mittels eines Gebläses 10 und
einer Luftleitung 11 eingebracht.
[0022] Beim Auftreffen der Luftstrahlen auf die Stirnfläche des Ballens 1 wird dort ein
Brennfleck gebildet, wobei die Luftmenge so bemessen ist, daß in der Regel nur eine
teilweise Verbrennung, also eine Vergasung stattfindet. Durch ein kontinuierliches
oder langsames aber schrittweises Vorschieben des Ballens 1 wird jeweils die dem Zündschirm
8 naheliegende Seite des Ballens 1 verbrannt, respektive vergast.
[0023] Unterhalb des Brennraumes 6 befindet sich ein Aschetrichter 12 zum Auffangen der
übrig bleibenden Asche; dieser Aschetrichter 12 weist zur Nachoxidation der Aschebestandteile
am unteren Ende Ausbrandluftdüsen 13 und darunter eine Ascheschleuse 14 für die ausgebrannte
Asche auf. Die Asche kann mit Hilfe dieser Ascheschleuse 14 entnommen werden.
[0024] Das bei der Verbrennung der Biomassen frei werdende Gas gelangt vom Brennraum 6 über
einen Brenngaskanal 15 in einen Nachverbrennungsraum 16. In diesem Nachverbrennungsraum
16 kann über Sekundärluftdüsen 17 im wesentlichen quer zur Hauptrichtung des Gases
die Sekundärluft zur vollständigen Nachverbrennung des Gases eingedüst werden.
[0025] Nach dieser Nachverbrennung werden in an sich bekannter Weise die heißen Rauchgase
in einem nur mehr schematisch dargestellten Kessel 18 abgekühlt, wobei die dabei entstehende
Wärme genutzt werden kann.
[0026] Gemäß der Fig.3 ist ein Ballen 1 in den Vorschubkanal 5 eingeschoben. Dieser Vorschubkanal
5 weist die Form eines auf die Spitze gestellten Quadrates auf. Diese Form des Vorschubkanals
5 ist deswegen zweckmäßig, da der Ballen 1 auf den unteren Seiten des Vorschubkanals
5 aufliegt und sohin lediglich im oberen Bereich ein Freiraum verbleibt. Lose und
abgelöste Brennstoffteile des Ballens 1 sammeln sich dadurch im Trog des Vorschubkanals
5 und werden vom nächsten Ballen in den Brennraum 6 geschoben, um dort verbrannt oder
vergast zu werden.
[0027] Gemäß der Fig. 4 ist ein Ballen 1 in den Brennraum 6 eingeschoben. Mittels eines
Primärluftgebläses 19 wird über eine Luftleitung 20 einer Strömungsweiche 21 Luft
zugeführt. Diese Strömungsweiche 21 verteilt alternierend die einzublasende Luft in
die Primärluftleitungen 22', 22" und 22'''. Mittels schematisch dargestellter Trimmklappen
23 kann die Menge des zugeführten Luftstromes individuell verändert werden.
[0028] Aufgrund des abwechselnden Einblasens von Luft durch die Luftdüsen 9', 9" und 9'"
werden auf dem Ballen 1 mehrere Brennflecke erzeugt. Wird durch eine Luftdüse 9',
9" oder 9"` auf einen Brennfleck Luft zugeführt, wird zunächst ein örtliches Feuer
angefacht, das bei Einblasen von Luft durch eine andere Luftdüse 9', 9" oder 9"' lediglich
dahinglost bis es durch neuerliches Einblasen von Luft durch die selbe Luftdüse 9',
9" oder 9"' wie anfänglich wieder angefacht wird. Durch diese Ausführungsform entsteht
quasi ein "wandernder" Brennfleck.
[0029] In einer weiteren Ausführungsform (nicht dargestellt) kann die Funktion der rotierenden
Strömungsweiche 21 durch ein System von individuell angesteuerten Klappen wahrgenommen
werden.
[0030] Gemäß der Fig. 5 ist ein Ballen 1 in den Brennraum 6 eingeschoben. Die Luftdüsen
24 sind bei dieser Ausführungsform nicht direkt gegenüber dem Vorschubkanal 4 angeordnet,
sondern sie sind etwas in Richtung des Nachverbrennungsraumes 16 verschoben. Die Luftdüsen
24 sind nach unten geneigt, sodaß auch die Luftstrahlen der eingeblasenen Luft gegenüber
der Vorschubrichtung des Ballens 1 geneigt sind.
[0031] Bei einer nicht dargestellten weiteren Ausführungsform könnten die Luftdüsen 24 nicht
in Richtung des Nachverbrennungsraumes 16 versetzt sein, sondern in Richtung des Aschetrichters
12, wobei in dieser Ausführungsform die Luftdüsen 24 nach oben in Richtung des Ballens
1 geneigt wären.
[0032] Nach Fig. 6 wird ein Ballen 1 mittels eines Verschlußorganes 25 in einen Schleusenraum
26 gebracht. Eine Vorschubeinrichtung 27 schiebt den Ballen 1 auf einen Rost 28' des
Brennraumes 28. Bei dieser Ausführungsform wird der Ballen 1 vollständig (und nicht
sukzessive entsprechend dem Abbrand des Ballens 1) in den Brennraum 28 eingeschoben.
Die Beaufschlagung mit Luftstrahlen erfolgt mittels Luftdüsen 29, wobei die eingeblasene
Luft den Luftdüsen 29 über eine Primärluftleitung 30 zugeführt wird. Graduell der
bereits erfolgten Verbrennung bzw. Vergasung des Ballens 1 werden die Luftdüsen 29
in Richtung des immer kleiner werdenden Ballens 1 bewegt. Zu diesem Zweck weist die
Primärluftleitung 30 ein (nur schematisch dargestelltes) teleskopartiges Stück 31
auf.
[0033] Gemäß der Fig. 7 ist ein Ballen 1 in einen Brennraum 28 eingeschoben. Luftdüsen 32'und
32" sind nach unten geneigt und werden in Abhängigkeit vom Abbrand des Ballen 1 von
oben nach unten mit Luft beaufschlagt. Dies hat zur Folge, daß die eingeblasene Luft
jeweils in einem ähnlichen Abstand auf die Oberfläche des Ballens 1 trifft, und einen
gleichmäßigen Abbrand verursacht.
1. Verfahren zum Verbrennen und Vergasen von festen Biomassen in einem Brennraum, dadurch
gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit vom Abbrand in Ballen (1) gepreßter Biomasse durch
gezieltes Auftreffen von Luftstrahlen mindestens ein Brennfleck erzeugt wird, sodaß
durch Weiterwandern dieses Brennfleckes auf den bzw. in den Ballen (1) dieser abgebrannt
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ballen (1) und die die
Luftstrahlen steuernden Luftdüsen (9;9',9",9"';24;29;32',32") relativ zueinander bewegt
werden.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß in einen Brennraum (6) ein etwa waagrechter Vorschubkanal (5) für den Ballen (1)
mündet und gegenüber dem Vorschubkanal (5) die die Luftstrahlen steuernden Luftdüsen
(9;9',9",9"') angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Luftdüsen
(9;9',9",9"';24) ein Zündschirm (8) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorschubkanal
(5) im (Querschnitt die Form eines auf eine Spitze gestellten Rechteckes vorzugsweise
Quadrates aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftstrahlen
gegenüber der Vorschubrichtung des Ballens (1) geneigt sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehreren
übereinander angeordneten Luftdüsen (9',9",9"') ein Steuerorgan zugeordnet ist, das
die Luftdüsen der Reihe nach mit Luft beaufschlagt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ballen (1) ruht und in
Abhängigkeit von dessen Abbrand die Luftdüsen (32',32") der Reihe nach von oben nach
unten mit Luft beaufschlagt werden.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß gegenüber dem ruhenden Ballen (1) zu diesem hin bewegbare Luftdüsen (29) angeordnet
sind.