Die Erfindung betrifft einen Vergaserheizkessel für die Verbrennung
von Festbrennstoffen, insbesondere von ganzen Strohballen zur energetischen Nutzung.
Die Erfindung zeichnet sich aus durch eine optimierte und nahezu vollständige
Verbrennung, durch vereinfachte Ascheentnahme und durch eine wesentlich verbesserte
Staubabscheidung aus dem Abgas. So können auch strenge Abgasvorschriften erfüllt
werden ohne aufwendige Gasfilter.
Das Prinzip der Brennstoffvergasung in einem Vergaserraum mit sich
anschließender Verbrennung der Gase in einem gesonderten Brennraum hat für Festbrennstoffe
wesentliche Vorteile. Die Verbrennung wird steuerbar und so kann die Umweltbelastung
minimiert und hohe Energieausbeute erreicht werden.
Die bekannten Ausführungen bestehen aus einem geschlossenen Füll-
und Vergaserraum mit Fülltür, einer unteren Abbrand- und Vergasungszone, einer meistens
nach unten abgehenden, rostbedeckten Brenndüse und dem sich dann anschließenden
Brennraum, weiterhin aus Luftzuführungen, Wärmetauscher und Einrichtungen zum Ascheaustrag.
Derartige Heizkessel für Festbrennstoffe sind beispielhaft in
DE OS 34 08 682 und in
DE PS 37 18 022 beschrieben. Zur
Verbesserung der Verbrennung sind besondere Luft- und Brenngasführungen vorgeschlagen
worden.
Entsprechend der DE OS 34 11
822 hat der Füllschacht die Form eines Doppelkegels mit Gasabströmöffnungen
und einem Brennringkanal in der Erweiterung. Damit soll ein gleichmäßiger Abbrand
erreicht werden.
In der DE PS 36 17 146
wird eine spezielle Luftzuführung für die Primärluft vorgestellt zur Erreichung
einer guten Brenngas-Luft-Mischung. Das Gebläse ist auf der Fülltür montiert und
führt Außenluft in drei Ebenen des Brennstoffschachtes zu. Die Lösung in der
DE PS 37 18 022 enthält zwei Luftzuführungsebenen
im Brennstoffschacht und eine zum Brennraum. Mit der Rückführung von Abgas soll
eine besonders gute Vergasung erreicht werden. Der Brennstoff Getreidestrohballen
stellt besonders hohe Anforderungen an eine Vergasungsanlage, weil die äußeren Schichten
des Ballens durch Ascheanhäufung und Verkohlung eine gleichbleibende Gasbildung
sehr behindern. Hohe Gehalte an unverbrannten Gasbestandteilen und hohe Staubanteile
verschlechtern in der Folge die Abgasqualität unzulässig.
Bedingt durch den niedrigen Schmelzpunkt einiger Aschebestandteile
verschmutzen und verbacken Wärmetauscherflächen. (DE
OS 41 34 754) Eine gesonderte Nachbrennkammer ist vorgeschlagen in
DE-OS 39 06 743 in Form eines ausschamottierten,
langen Kanals. Die Verweilzeit bei hoher Reaktionstemperatur wird aber nur gering
erhöht, der Temperaturabfall der Gase ist bedingt durch die große Innenfläche des
Kanals erheblich.
Für die Absonderung von Feststoffteilchen aus Gasströmen sind Zyklonabscheider
bekannt, die grundsätzlich aufgebaut sind als rotationssymmetrische Behälter mit
senkrechter Symmetrieachse. Die zu reinigenden Gase strömen tangential ein, erhalten
dabei einen Drall und strömen im wesentlichen schraubenförmig um die Symmetrieachse
im Zyklon nach unten. Die Feststoffpartikel werden dabei durch die auftretende Fliehkraft
nach außen gedrückt, weg von dem im unteren Bereich des Abscheiders senkrecht mittig
angeordneten Gasabführungskanal, so daß Feststoffe nach unten abgeschieden werden
können. Eine solche Anordnung zusammen mit einem Heizkessel wurde z.B. auch in der
Patentschrift DE-PS 37 18 022 beschrieben.
Da aber die Asche von Strohvergaseranlagen mit erheblichem Anteil sehr feinkörnig
ist und die Durchlaufzeit der Gase durch den Zyklonwirbel nur kurz ist, funktionieren
solche Zyklonabscheider nur mit ganz unbefriedigendem Ergebnis.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es die Verbrennung auch von schwer brennbaren
Gasbestandteilen annähernd vollständig zu erreichen und Asche und Staub weitgehend
aus den Heißgasen zu eleminieren noch vor den Hauptwärmetauscherflächen.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Demgemäß
besitzt der Füll- und Vergaserraum eine oder mehrere Vertiefungen, die sich ein-
oder mehrseitig der rostbedeckten Brenndüse erstrecken. In diesen Vertiefungen sammeln
sich grobe Teilchen, unbrennbares wie Steine oder Eisen und hauptsächlich Asche.
Dadurch gehen wesentlich weniger Aschebestandteile mit dem Brenngas mit in die Brennkammer.
Festbrennstoffe, die in diese Vertiefungen fallen, können dort ausgasen.
Diese Vertiefungen sind von außen, von der Bedienseite der Anlage
her, durch Öffnungen zugänglich, durch die nach dem Ausbrand, wenn notwendig, auch
während des Vergasungsvorganges, Asche entnommen und mit einem
Handkratzer in eine außenstehende Schubkarre bewegt werden kann.
Es gehört aber auch zum Umfang der Erfindung die Entnahme der Asche
aus diesen Vertiefungen im Füll- und Vergaserraum durch mechanisch angetriebene
Einrichtungen, wie z.B. Förderschnecken oder klappbare Wandbereiche, zu realisieren.
Entsprechend Merkmal 2 ist am Ausgang der ersten Brennkammer
eine zusätzliche, große Nachbrennkammer angeschlossen, deren Wandungen durch gute
Wärmedämmung nur sehr wenig Wärme abführen und so die Temperatur der Gase hoch gehalten
wird. Die zur Verfügung stehende Zeit für chemische Reaktionen im Gasgemisch wird
dadurch wesentlich verlängert.
Die Gaseinleitung in diese Nachbrennkammer erfolgt tangential von
unten, so daß die Gase schraubenförmig verwirbelt von unten nach oben die Nachbrennkammer
passieren.
Nach Merkmal 3 schließt sich an die Nachbrennkammer ein weiterer,
zylinderförmiger Raum an mit senkrecht stehender Symmetrieachse, der mit Einbauten
versehen ist zur Ascheabscheidung bei noch hoher Gastemperatur. Auch in diesen Raum
wird in bekannter Art das zu reinigende Gas tangential eingeführt und so ein Wirbel
gebildet, durch den die Staubteilchen durch Fliehkraft in Richtung Wandung gedrückt
werden.
Erfindungsgemäß sind dann weiter unten Einbauten so angeordnet, daß
der im Zyklonwirbel innenliegende, staubgehaltsreduzierte Gasanteil durch eine Gasleiteinrichtung
zum Gasabführungskanal hingeleitet wird, zwischen Gasleiteinrichtung und Abscheiderinnenwandung
aber ein spaltartiger Durchgang verbleibt und sich darunter eine große Sedimentationskammer
erstreckt, von der ein im Querschnitt kleinerer Austrittskanal noch oben abgeht
und dieser in den oberen Gasabführungskanal hineinragt.
Nachdem das eintretende, zu reinigende Heißgas den oberen Zyklonbereich
durchlaufen hat ist eine Konzentration der Staubanteile im Bereich nahe der Wandung
des Zyklonabscheiders eingetreten. Nur dieser, stärker staubbeladene Gasanteil passiert
jetzt den Spalt zur Gasleiteinrichtung und tritt, durch die auch auf das Gas wirkende
Zentrifugalkraft beschleunigt, in die untere Sedimentationskammer ein. Die im Zyklonwirbel
innenliegenden Gasanteile sind staubreduziert und werden durch die Gasleiteinrichtung
sofort zum Gasabführungskanal hin umgelenkt. Dadurch gelangt nur ein kleiner Teilstrom
des zu reinigenden Gases in die Sedimentationskammer, dadurch sind dort die Verweilzeiten
erheblich verlängert und die auftretenen Gasgeschwindigkeiten verkleinert, so daß
sich in der Sedimentationskammer auch feine Staubanteile absetzen können.
Durch das Hineinragen des Abführungskanals aus der Sedimentationskammer
in den Gasabführungskanal entsteht eine Injektorwirkung, durch die der Gasdurchsatz
durch die Sedimentationskammer steuerbar wird durch Variierung der konstruktiven
Abmessungen des Abscheiders oder durch von außen veränderbare Position dieses oder
der Bauteile.
Durch diese Vorrichtungen werden sowohl eine sehr vollständige Verbrennung
erreicht als auch eine verminderte Staubemission, so daß aufwendige Filtertechnik
entbehrlich wird zu Gunsten der Kosten und des Bedienaufwandes der Vergaseranlagen.
Spezielle Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
dargelegt.
Nachfolgend wird die Erfindung an einem Beispiel erläutert.
I zeigt einen Vergaserheizkessel für
ganze Strohballen in der Vorderansicht im Schnitt.
II zeigt die Seitenansicht der Heizanlage,
auch z.T. im Schnitt.
III stellt eine Draufsicht der Nachbrennkammer
dar, geschnitten in Höhe der Gaseinleitung zur Nachbrennkammer.
IV zeigt eine Draufsicht analog
III, aber weiter oben geschnitten in Höhe des Einganges
zum Staubabscheider,
V ist ein senkrechter Schnitt durch den
Staubabscheider In I ist der Kesselkörper
1 dargestellt, der doppelwandig ausgeführt ist und der von einem Wärmeträgermedium
durchströmt wird. Darin ist im wesentlichen der Füll- und Vergaserraum
2 enthalten und die darunter liegende Brennkammer 3. Der Füll-
und Vergaserraum 2 ist von der Bedienseite der Anlage her zugänglich durch
die große Füllraumöffnung 4, die durch eine nicht dargestellte Füllraumtür
verschlossen wird und die beiden, seitlich unten vorgesehen, kleinen Ascheentnahmetüren
5.
Im unteren Scheitel des Füll- und Vergaserraumes 2 ist im
Boden eine schlitzförmige Brenndüse 6 zur Brennkammer 3 hin vorgesehen,
die von einem feuerbeständigen Rost abgedeckt ist.
Die Brennkammer 3 ist in bekannter Art ausgestattet mit Feuerkeramik
oder anderen, feuerfesten Werkstoffen, so daß durch Verwirbelung der Brenngase
mit Luft und katalytische Effekte die Verbrennung optimal befördert wird.
Der Füll- und Vergaserraum 2 weist im unteren Teil Vertiefungen
7 auf, die sich in lotrechter Richtung tiefer erstrecken als die Brenndüse
6 angeordnet ist und die im Querschnitt schalenförmig ausgebildet sind.
Die Vorderwand des Kesselkörpers 1 enthält hier die Reinigungsöffnungen,
die jeweils bis zur Sohle der Vertiefungen 7 reichen und die durch die
Ascheentnahmetüren 5 verschlossen werden.
Der angedeutete Strohballen 8 wird in Füll- und Vergaserraum
2 vergast und der größte Teil der dabei entstehenden Asche gelangt durch
Absetzung in die Vertiefungen 7, bleibt dort liegen und kann von außen
mit einfachen, handgeführten oder auch mechanisierten Aschentnahmevorrichtungen,
entnommen werden. Der weitaus größte Teil der im Stroh enthaltenen Asche geht nicht
mit den Brenngasen weiter, sondern verbleibt gleich im Füll- und Vergasungsraum
2. So werden die im weiteren nachgeordneten Entstaubungseinrichtungen entlastet.
Gemäß II besteht die Anlage aus einer ersten Hauptbaugruppe,
enthaltend im wesentlichen den Kesselkörper 1 mit Füll- und Vergaserraum
2 sowie Brennkammer 3, und einer zweiten Hauptbaugruppe, enthaltend
insbesondere die große Nachbrennkammer 9 sowie den Staubabscheider
10 mit Wärmetauschereinrichtungen.
Die letzteren sind zu Kontroll- und Reinigungszwecken jeweils von
oben her zugänglich über die begehbare Plattform 30 und diese Öffnungen
werden durch die warmfest ausgeführten Verschlußdeckel 11 und
12 im Betrieb dicht geschlossen.
In III ist erkennbar, daß der Ausgang
13 der Brennkammer 3 tangential in den zylinderförmigen, doppelwandigen
und von einem Wärmeträgermedium durchflossenen Behälter 16 der Nachbrennkammer
9 einmündet. Diese enthält innen eine Isolierauskleidung bestehend aus
der Isolierschicht 14 und einer keramischen Beschichtung 15.
Das Volumen der Nachbrennkammer 9 ist mehr als doppelt so
groß als das der Brennkammer 3. Auf diese Weise wird eine extrem lange
Verweilzeit der durchströmenden Brenngase erreicht. Bei hoher Temperatur von über
650°C und intensiver Verwirbelung kommt es zu einer intensiven Kontaktierung
der gasförmigen Reaktionspartner.
Im Endergebnis werden so auch die letzten, unverbrannten bzw. schwer
brennbaren Gasbestandteile oxidiert und es werden Oxide, die sich schon vorher gebildet
hatten, umgewandelt.
In IV ist der oben angeordnete Verbindungskanal
17 zwischen der Nachbrennkammer 9 und dem Staubabscheider 10 im
Schnitt dargestellt. Die Position ist so gewählt, daß die Brenngase tangential und
somit einen zyklonartigen Wirbel bildend in den nachfolgenden Staubabscheider
10 eintreten. Auch dieser Kanal ist innen thermisch isoliert ausgeführt.
Der Staubabscheider 10 enthält eine nach oben hin abschließende,
wärmebeständige Platte 18, durch die hindurch ein Rohrstück nach unten
ragt, das innen den Gasabführungskanal 19 bildet und um das herum der Gaswirbel
zunächst spiralig nach unten zirkulieren kann, so wie dies von Zyklonabscheidern
her bekannt ist.
Die genaue Lage und die Formgebung der Teile sind in V
weiter ausgeführt. Mit Abstand ist unterhalb des Gasabführungskanals 19
eine kreisförmige, feuerfeste, im Querschnitt schalenartige Gasleiteinrichtung
20 angeordnet. Die gewählte Querschnittsform läßt erkennen, daß dadurch
der größere Anteil des von oben kommenden Gasstromes nach oben umgeleitet wird zur
Abführung aus dem Gasableitungskanal 19. Diese ringförmige Gasleiteinrichtung
20 hat aber in horizotaler Richtung ringsum einen Abstand zur Gehäuseinnenwandung
21, wodurch der Durchgangsspalt 22 gebildet wird. Darunter erstreckt
sich ein großer Sedimentationsraum 23, der auch eine keramische Innenauskleidung
24 aufweist und durch eine Staubentnahmeklappe 25 zugänglich ist.
Zwischen dem Sedimentationsraum 23 und dem Gasabführungskanal
19 ist ein im Querschnitt kleinerer Austrittskanal 26 vorgesehen,
der in Ausgestaltung der Erfindung auch von außen bewegbar angeordnet sein kann.
Im Betrieb strömt das Gas tangential in den Staubabscheider
10 und im weiteren als schraubenförmig absteigender Wirbel nach unten.
Die Feststoffpartikel werden durch die angreifende Fliehkraft nach außen gedrückt
und reichern sich im Gaswirbel in Wandnähe des Staubabscheiders 10 an.
Das meiste, im Wirbel innenseitig liegende und gereinigte Gas wird
jetzt von der Gasleiteinrichtung 20 nach oben umgeleitet und verläßt im
weiteren den Staubabscheider 10 durch den Gasabführungskanal
19 nach oben.
Der kleinere Teil der Gasmenge, die staubangereichert ist, passiert
den Durchgangsspalt 22 und gelangt so in den Sedimentationsraum
23. Die Größe dieses Raumes bewirkt einen starken Abfall der Strömungsgeschwindigkeit
des Gases, es ergibt sich eine hohe Verweilzeit und unter der Wirkung der Schwerkraft
eine intensive Ablagerung auch von feinkörnigen Staubfraktionen, die mit Zyklonabscheidern
kaum zu erfassen sind.
Das Gas verläßt den Sedimentationsraum 23 dann durch den
mittig oben angeordneten Austrittskanal 26, der durch sein Hineinragen
in den größeren Gasabführungskanal 19 eine Injektorwirkung auslöst, die
das Gas aus dem Sedimentationsraum 23 nachsaugt. Eingangsseitig sorgt die
auf das Gas einwirkende Zentrifugalkraft im Wirbel dafür, daß das Gas nach unten
durch den Durchgangsspalt 22 in den Sedimentationstaum 23 hineingedrückt
wird. Durch Variierung der konstruktiven Abmessungen ist eine Optimierung der Abscheideleistung
möglich.
In diesem Sinne kann aber auch, z.B durch Lageveränderung des Austrittskanals
26 von außen, während des Betriebes ein Optimalpunkt gesucht werden.
Die vorzugsweise keramische Innenwandisolierung 24 des Staubabscheiders
ist insgesamt so ausgeführt, daß eine Abkühlung der Brenngase stattfindet auf eine
Temperatur von unter 600°C, ab der dann alle, auch die niedrigschmelzenden Aschebestandteile
des Strohs, wieder fest geworden sind und somit für die nachfolgenden Einrichtungen
keine Gefahr mehr besteht, daß sich aus flüssigen Aschetröpfchen Schlackeanbackungen
bilden könnten.
Die sich im weiteren Gasweg anschließenden Wärmetauscherrohre
27 bestehen vorzugsweise aus Stahl und stehen außen in Kontakt mit dem
Wärmeträgermedium.
Ein Saugzuggebläse 28 sorgt zusammen mit einem geeigneten
Schornstein für die Aufrechterhaltung eines ausreichendes Zuges. Dadurch, daß das
Saugzuggebläse 28 oberhalb eines weiteren Staubabsetzraumes 29
angeordnet ist, wird die Fließrichtung der Gase in bekannter Weise umgekehrt und
so nochmals Staub abgesetzt. Da durch diesen Raum aber der gesamte Gasstrom hindurchgeht
ist die Staubabscheidung durch Sedimentation hier weniger intensiv. Im Bedarfsfalle
könnte anstelle dieses einfachen, bekannten Ascheabsetzraumes ein zweiter, erfindungsgemäß
gestalteter Staubabscheider angeordnet werden.
Das mit diesen Mitteln erzeugte, sehr saubere Abgas wird man in den
meisten Anwendungsfällen ohne weitere Filterung in die Umwelt abgegeben werden dürfen.
In II ist eine begehbare Plattform dargestellt,
die zu Reinigungsarbeiten genutzt werden kann.
Es ist natürlich auch erforderlich die äußeren Wandflächen der Baugruppen
gegen unerwünschte Wärmeverluste thermisch zu isolieren. Wie in III
skizziert kann dies sehr effektiv mit einer Schüttisolierung erfolgen, mit der der
Raum 31 angefüllt ist.
