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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbrennen und Vergasen von festen Biomassen in einem Brennraum.
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.
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 ; 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 (Strodhfueer") 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.
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
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begünstigen. Das Resultat sind teuere, schwere und auch platzaufwendige Kessel, die auch eine extrem lange Vorlaufphase bis zur Vollast benötigen.
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.
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.
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 Weiterwandem dieses Brennfleckes auf den bzw. in den Ballen dieser abgebrannt wird.
Um eine vollständige Verbrennung des Ballen zu gewährleisten ist es zweckmässig, dass sich der Ballen und die die Luftstrahlen steuernden Luftdüsen relativ zueinander bewegen.
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.
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Zum Zwecke der Initialzündung und zur Unterstützung der Verbrennung der Biomassen kann im Bereich der Luftdüsen ein Zündschirm angeordnet sein.
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.
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.
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.
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 ; 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.
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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.
Nicht dargestellt ist, dass der Vorschubkanal 5 an seiner Aussenseite z. B. mit kalter Verbrennungsluft oder mit Wasser gekühlt werden kann.
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.
Gemäss der Fig. 2 ist der Ballen 1 in Verbrenn- respektive Vergasstellung in den Brennraum 6 eingeschoben.
Im Brennraum 6 ist gegenüber der Stimfläche 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.
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 11eingebracht.
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.
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Unterhalb des Brennraumes 6 befindet sich ein Aschetrichter 12 zum Auffangen der übrig bleibenden Asche ; 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.
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.
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.
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.
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.
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
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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.
In einer weiteren Ausführungsform (nicht dargestellt) kann die Funktion der rotierenden Strömungsweiche 21 durch ein System von individuell angesteuerten Klappen wahrgenommen werden.
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.
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.
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.
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
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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.
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The invention relates to a method for burning and gasifying solid biomass in a combustion chamber.
The problem has long been known that the industrialized countries in particular emit too much carbon dioxide. The use of solid biomass for power and heat generation has been recognized by many nations as an important contribution to reducing this greenhouse gas.
The use of solid biomass, especially straw and all-season plants, is technically complex and expensive. When handling and storing the low energy density of these fuels is disadvantageous; these fuels are usually compacted during harvest, e.g. B. pressed into stackable bales. Waste paper and cardboard boxes, if their quality is so low that they should be better removed from the paper recycling process, are also pressed into bales and made available for further treatment.
From the point of view of combustion technology, these fuels, in particular straw, have the unpleasant property that the combustion is either very slow or galloping (Strodhfueer ") In known methods for burning solid biomass, the bales compacted during harvesting are cut into slices and subsequently these discs burned on a grate.
Since biomass tends to either burn very poorly, especially if it is very moist or the pile is poorly gas-permeable, or burn almost suddenly, a special grate construction with constant mixing of the fired material must be provided, similar to a waste boiler. These grate structures, such as. B. the roller grate, the grate, etc. are mechanically complex and expensive. The entire grate surface is to be designed for a low air flow rate, because otherwise the light biomass can fly away locally and so-called blow-throughs are formed (these are grate surface areas that do not have a fuel bed and are flowed through unused by an amount of air - which would be intended for combustion).
Also worth mentioning is the large combustion chamber, which is lined with brick to prevent the fuel from igniting
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favor. The result is expensive, heavy and space-consuming boilers that also require an extremely long lead-up phase to full load.
In a further known method, the bales or the biomass are largely crushed and pulverized. After drying, the processed biomass is fed to a special stationary or circulating furnace. In contrast to coal, however, this treatment is extremely expensive and energy-intensive, making it a rarely used process that is usually too complex for small plants.
The aim of the invention is therefore to create a method for burning and gasifying solid biomass in a combustion chamber, in which neither complex boiler designs are necessary, nor a special preparation of the biomass before the combustion is necessary.
This is achieved in that at least one focal spot is generated as a function of the burn-off in biomass pressed in bales by targeted impingement of air jets, so that this focal spot is burned on or in the bale by further migration.
In order to ensure complete combustion of the bale, it is expedient for the bale and the air nozzles that control the air jets to move relative to one another.
In order to ensure the replenishment of combustible biomass, it is advantageous that an approximately horizontal feed channel for the bale opens into a combustion chamber. The air nozzles controlling the air jets are arranged opposite this feed channel. Since the solid biomass to be gasified or burned is usually pressed from straw and all-season plants, the resulting bales are not a completely homogeneous material and there is a risk that external particles will detach from the bale. In order to ensure easy and complete advancement of the biomass in the feed channel, it is expedient within the scope of the invention if this feed channel has in cross-section the shape of a rectangle placed on top, preferably a square.
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An ignition screen can be arranged in the area of the air nozzles for the purpose of initial ignition and to support the combustion of the biomass.
Since at least one focal spot is generated by the targeted impingement of air jets, which leads to the combustion or gasification of the biomass, this focal spot needs to move further on or in the bales for as complete a combustion as possible. In order to achieve a burning behavior that is particularly advantageous for the burning, it is possible within the scope of the invention that the air jets are inclined with respect to the direction of advance of the bale.
For the same purpose, in another embodiment of the invention, a plurality of air nozzles arranged one above the other are assigned to a control element which acts on the air nozzles in succession with air. In addition, for a particularly residue-free burning (gasification), it is possible for the air nozzles to be acted upon in sequence from top to bottom depending on the burning of the biomass.
In a further embodiment of the present invention, it is possible to arrange air nozzles that can be moved toward the bale at rest. In this embodiment, too, a relative movement of the bale and the air nozzles is achieved, so that a desired combustion or gasification of the biomass that is as residue-free as possible occurs.
The invention is described below with reference to 5 exemplary embodiments, without being restricted to these examples. 1 shows a section through an inventive device for carrying out the method in a first embodiment; Fig. 2 shows the same device with a bale inserted for burning; 3 shows a section through a device for carrying out the method according to the invention of this first embodiment along the line A-A in FIG. 1.
4, 5, 6 and 7 each represent further sections through devices for carrying out the method according to the invention in further embodiments.
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According to FIG. 1, a bale 1 pressed from biomass is brought as a whole via a closure member 2 into a lock space 3 of the device according to the invention.
With the aid of a feed device 4, the bale 1 is pushed continuously or step by step against the combustion chamber 6 through a feed channel 5.
It is not shown that the feed channel 5 on its outside z. B. can be cooled with cold combustion air or with water.
The feed channel 5 is supplied with an internal gas, for example with steam or a flue gas, via a feed line 7 in order to avoid burning back into the lock space 3.
2, the bale 1 is inserted into the combustion chamber 6 in the combustion or gasification position.
An ignition screen 8 is arranged in the combustion chamber 6 opposite the end face of the inserted bale 1. This ignition screen 8, which can be designed to be heatable for primary ignition, is an only weakly cooled surface with very good storage capacity. Thick fireproof sheet metal and a fireproof brickwork have proven their worth in practical tests. Due to the partial or complete combustion, the ignition screen 8 becomes hot and this allows radiation heat to be reflected back on the bale 1.
Air nozzles 9 are arranged in the firing screen 8, by means of which air jets are directed onto the end face of the bale 1. The required air is introduced by means of a blower 10 and an air line 11.
When the air jets hit the end face of the bale 1, a focal spot is formed there, the amount of air being dimensioned such that generally only partial combustion, that is to say gasification, takes place. Through a continuous or slow but gradual advancement of the bale 1, the side of the bale 1 close to the firing screen 8 is burned or gasified.
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Below the combustion chamber 6 there is an ash hopper 12 for collecting the remaining ash; Ash hopper 12 has burnout air nozzles 13 at the lower end for post-oxidation of the ash constituents, and an ash lock 14 underneath for the burned-out ash. The ash can be removed with the help of this ash lock 14.
The gas released during the combustion of the biomasses passes from the combustion chamber 6 via a combustion gas duct 15 into a post-combustion chamber 16. In this post-combustion chamber 16, the secondary air for complete post-combustion of the gas can be injected via secondary air nozzles 17 essentially transversely to the main direction of the gas.
After this post-combustion, the hot flue gases are cooled in a boiler 18, which is only shown schematically, in a manner known per se, the heat generated thereby being able to be used.
3, a bale 1 is inserted into the feed channel 5. This feed channel 5 has the shape of a square placed on the tip. This form of the feed channel 5 is expedient because the bale 1 rests on the lower sides of the feed channel 5 and so there is only a free space in the upper area. Loose and detached fuel parts of the bale 1 thus collect in the trough of the feed channel 5 and become from the next bale pushed into the combustion chamber 6 in order to be burned or gasified there.
4, a bale 1 is inserted into the combustion chamber 6. Air is supplied to a flow switch 21 by means of a primary air blower 19 via an air line 20. This flow switch 21 alternately distributes the air to be blown into the primary air lines 22 ', 22 "and 22"'. The amount of air flow supplied can be changed individually by means of schematically illustrated trim flaps 23.
Due to the alternating blowing in of air through the air nozzles 9 ', 9 "and 9"', several focal spots are generated on the bale 1. Is on by an air nozzle 9 ', 9 "or 9' ''
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If a focal point is supplied with air, a local fire is first kindled, which only blows when air is blown in through another air nozzle 9 ', 9 "or 9"' until it is blown again through air through the same air nozzle 9 ', 9 "or 9 '' 'as initially fanned. This embodiment effectively creates a "wandering" focal spot.
In a further embodiment (not shown), the function of the rotating flow switch 21 can be performed by a system of individually controlled flaps.
5, a bale 1 is inserted into the combustion chamber 6. In this embodiment, the air nozzles 24 are not arranged directly opposite the feed channel 4, but rather are displaced somewhat in the direction of the afterburning chamber 16. The air nozzles 24 are inclined downward, so that the air jets of the blown-in air are also inclined with respect to the direction of advance of the bale 1.
In a further embodiment, not shown, the air nozzles 24 could not be offset in the direction of the afterburning chamber 16, but in the direction of the ash funnel 12, wherein in this embodiment the air nozzles 24 would be inclined upwards in the direction of the bale 1.
6, a bale 1 is brought into a lock chamber 26 by means of a closure member 25. A feed device 27 pushes the bale 1 onto a grate 28 'of the combustion chamber 28. In this embodiment, the bale 1 is pushed completely (and not successively in accordance with the burning of the bale 1) into the combustion chamber 28.
Air jets are applied by means of air nozzles 29, the blown-in air being supplied to the air nozzles 29 via a primary air line 30. Gradually after the combustion or gasification of the bale 1 has already taken place, the air nozzles 29 are moved in the direction of the ever smaller bale 1. For this purpose, the primary air line 30 has a telescopic piece 31 (only shown schematically).
7, a bale 1 is inserted into a combustion chamber 28. Air nozzles 32 'and 32 "are inclined downwards and are depending on the burn-off of the bale 1 from above
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charged with air downwards. This has the consequence that the blown-in air hits the surface of the bale 1 at a similar distance and causes a uniform burn-up.
