DE102007010696B3

DE102007010696B3 - Small-scale process and assembly to incinerate agricultural biomass by roasting pre-heat and heat recovery with incineration

Info

Publication number: DE102007010696B3
Application number: DE200710010696
Authority: DE
Inventors: Johann Rumpler
Original assignee: Rumpler Johann Dr-Ing
Current assignee: Rumpler Johann Dr-Ing
Priority date: 2007-03-06
Filing date: 2007-03-06
Publication date: 2008-08-14
Anticipated expiration: 2027-03-07

Abstract

In a small-scale process to use agricultural biomasses as incinerator fuel, the incoming biomass is pre-heated by roasting during the feed process within a cellular airlock heater. The resulting hot gases and associated hot air surrender their heat to a heat exchanger to the combustion chamber together with incoming primary and secondary air. Also claimed is a commensurate incinerator with heat recovery.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren für die Beschickung von Biomassekesseln mit Biomasse als Brennstoff.The The present invention relates to an apparatus and a method for the Charging biomass boilers with biomass as fuel.

Beim Einsatz von Biomassen zur Wärmeerzeugung haben im Bereich kleiner und mittlerer Kesselanlagen vor allem Holzhackschnitzel und Holzpellets zunehmend Bedeutung. Ihr Aufkommen ist jedoch infolge der Nutzungsvielfalt begrenzt. Die folgerichtige Suche nach geeigneter und verfügbarer Biomasse führt im landwirtschaftlichen Bereich zu Stoffen wie Stroh, Miscanthus und ähnlichen Halmgütern in gehäckselter oder pelletierter Form oder Getreidekörnern selbst. Diese Biomassen haben jedoch gegenüber Holz den Nachteil höherer Emissionen von Schadstoffen und Staub im Abgas und der Neigung zur Verschlackung der Aschen im Brennraum. Das macht technisch nur wenige der für Holzbrennstoffe entwickelten Verbrennungssysteme für solche Biomassen geeignet.At the Use of biomass for heat generation In the area of small and medium-sized boiler plants, wood chippings are the most common and wood pellets increasingly important. Their advent, however, is due the variety of uses limited. The logical search for suitable and more available Biomass leads in the agricultural sector to substances such as straw, miscanthus and similar Crops in chopped or pelleted form or cereal grains themselves. These biomasses but have opposite Wood the disadvantage higher Emissions of pollutants and dust in the exhaust gas and the tendency to Slagging the ashes in the combustion chamber. That makes technically few the for Wood fuels developed combustion systems for such Biomass suitable.

Die für kleine Kesselanlagen schwierige Entwicklung von Sekundärlösungen wie Elektrofilter oder Wäschen für die Abgasseite verbessern die Verbrennungsverhältnisse im Kessel und damit seinen Wirkungsgrad nicht, erhöhen den Bedien- und Kontrollaufwand und die Anlagekosten.The for little ones Boiler systems difficult development of secondary solutions such as electrostatic precipitator or washes for the Exhaust gas sides improve the combustion conditions in the boiler and thus not increase its efficiency the operating and control costs and the installation costs.

Die gezielte Verbesserung des Verbrennungsprozesses selbst ist in Kleinkesseln zweier Hersteller realisiert, die beide mit EP 1 288 570 A2 die gleiche rechtliche Grundlage haben. Die Lösung basiert auf einem zweistufigen Verbrennungsprozess, bei dem die Biomasse auf einer oberen Ebene in Brand gesetzt wird und im unteren Kesselbereich in einem Glutbett ausbrennt. Der Erfolg des Systems bei der Reduzierung des Staubanteiles im Abgas ist nachvollziehbar, eine entscheidende Reduzierung von Stickoxiden und anderer Schadgase wegen der eigentlich verkürzten Ausbrandstrecke jedoch nicht. Das System mit zwei rotierenden Ebenen im Kesselbrennraum erscheint kompliziert und aufwändig. Eine mechanisch ähnlich zu bewertende Lösung wird mit DE 101 13 595 A1 für das Aufpoppen von Getreide und Mais beschrieben. Dies funktioniert aber ohne zusätzlichen Druck nur sehr eingeschränkt für spezielle Maissorten bei über 250°C. Mit nur einer groß dimensionierten Trommel im Brennraum wird nach US 59 04 105 A sehr feuchter Brennstoff vor dem Rost vorgetrocknet. Eine gezielte Führung der Schwelgase und Verbrennungsgase und ihre effektive Vermischung mit Luft ist im eingeengten Kesselbrennraum schwer möglich. Zudem verbleibt die Feuchtigkeit im Prozess. Das Vortrocknen vor allem von Hackschnitzeln haben auch zwei Baueinheiten vor Heizkesseln in DE 196 06 915 A1 und DE 203 16 982 U1 zum Ziel. Die hierin durchgeführten Lager-, Transport und Ausdampfprozesse erfordern erheblichen baulichen und energetischen Aufwand, der nur in Verbindung mit sehr großen Kesselleistungen gerechtfertigt ist. Die Lösungen sind damit für kleine und in ihrer Heizlast alternierende Kessel ungeeignet. Aus Forschungsarbeiten bekannt (FH Bingen, FLOX-System) sind Lösungen von Vorvergaserbrennern für Kessel, die steuerungsseitig und technisch als sehr anspruchsvoll angesehen werden müssen (Pyrolyse unter Luftausschluss) und hinsichtlich der Kosten-Nutzen-Betrachtung kritisch zu sehen sind. Von Großkesseln sind solche vorgeschalteten Einheiten auch für die Fließbettentgasung ( EP 0 076 353 A2 ) bekannt. Hierbei wird der Brennstoff bei sehr hohen Temperaturen komplett entgast und verbrannt. Die Energie wird über eine Flammenkammer in den Kessel geleitet, so dass dieser praktisch nur noch Wärmetauscher ist und sich Brennkammer und Brennstoffrestentnahme vor dem eigentlichen Kessel befinden. Ein zusätzlicher baulicher Aufwand mit hochwertigen Materialien, der sich vor Kleinkesseln wirtschaftlich nicht lohnt und dessen stabiler Betrieb bei erforderlicher Halblast oder Pufferspeicherbetrieb (Ein/Aus) fraglich ist. Gleiches gilt in noch stärkerem Maße für technische Lösungen in Reaktoren und Anlagen zur Erzeugung von Brenn- und Produktgasen aus Biomassen nach den Patentschriften EP 1 160 307 A2 , EP 0 924 288 A2 , DE 33 38 445 A1 und DE 103 48 142 B3 , die in Kompliziertheit und technischem Aufwand etwa in dieser Reihenfolge zunehmen. Das Realisieren abgestufter und hoher Temperaturbereiche, das gezielte Erzeugen von Zwischengasen, Katalysatoren, Wirbelbett oder Nachschwelreaktor sind Verfahrensschritte und technische Mittel, deren Anwendung sich für den erfindungemäßen Leistungs- und Anwendungsbereich sowohl aus Kostengründen als auch aus Gründen der erforderlichen Prozessstabilität nicht eignet. Das in den aufgezeigten Lösungen die erforderliche Wärmeenergie dem Verbrennungsprozess entnommen wird, ist logisch. Je komplizierter jedoch ihr prozessgeführter Einsatz sowohl zur Brennstofftrocknung als auch für dessen Entgasung wird, desto verlustreicher sind Abweichungen von einem optimierten Nennlastbereich. Diese sind jedoch im Bereich automatisch beschickter Biomassekessel schon aus Gründen der Brennstoffeffizienz technisches Erfordernis.The targeted improvement of the combustion process itself is realized in small boilers of two manufacturers, both with EP 1 288 570 A2 have the same legal basis. The solution is based on a two-stage combustion process, in which the biomass is set on fire on an upper level and burned out in an ember bed in the lower boiler area. The success of the system in reducing the dust content in the exhaust gas is traceable, a crucial reduction of nitrogen oxides and other noxious gases due to the actually shortened burn-out but not. The system with two rotating levels in the boiler combustion chamber seems complicated and time-consuming. A mechanically similar solution to be evaluated with DE 101 13 595 A1 described for the Aufpoppen of grain and corn. However, this works only very limited for special maize varieties at over 250 ° C without additional pressure. With only one large-sized drum in the combustion chamber is after US 59 04 105 A very damp fuel pre-dried before the rust. A targeted guidance of the carbonization gases and combustion gases and their effective mixing with air is difficult in the narrow boiler combustion chamber. In addition, the moisture remains in the process. The pre-drying of wood chips in particular also have two units in front of boilers in DE 196 06 915 A1 and DE 203 16 982 U1 to the goal. The storage, transport and evaporation processes carried out here require considerable construction and energy expenditure, which is justified only in connection with very large boiler services. The solutions are thus unsuitable for small and in their heating load alternating boiler. Known from research work (FH Bingen, FLOX system) are solutions of pre-carburetor burners for boilers, which must be regarded as very demanding on the control side and technically (pyrolysis with exclusion of air) and with regard to the cost-benefit analysis can be seen critically. Of large boilers, such upstream units are also suitable for fluid bed degassing ( EP 0 076 353 A2 ) known. Here, the fuel is completely degassed and burned at very high temperatures. The energy is passed through a flame chamber in the boiler, so that this is practically only heat exchangers and combustion chamber and fuel residue removal are located in front of the actual boiler. An additional construction effort with high-quality materials, which is economically not worthwhile before small boilers and its stable operation at required half load or buffer memory operation (on / off) is questionable. The same applies even more to technical solutions in reactors and plants for the production of fuel and product gases from biomass according to the patents EP 1 160 307 A2 . EP 0 924 288 A2 . DE 33 38 445 A1 and DE 103 48 142 B3 which increase in complexity and technical complexity in about this order. The realization of graduated and high temperature ranges, the targeted production of intermediate gases, catalysts, fluidized bed or Nachschwelreaktor are process steps and technical means whose application is not suitable for erfindungemäßen performance and application both for cost reasons and reasons of the required process stability. That in the solutions shown the required heat energy is removed from the combustion process is logical. However, the more complicated their process-guided use for fuel drying and for its degassing, the more lossy are deviations from an optimized nominal load range. However, in the field of automatically charged biomass boilers, these are already a technical requirement for reasons of fuel efficiency.

Ziel der Erfindung war es deshalb, mit einfachen Mitteln bereits im Bereich der üblichen mechanischen Beschickung die Beschaffenheit des Brennstoffes für den im Kessel ablaufenden Verbrennungsprozess zu verbessern und damit eine universelle und kostengünstige Lösung zu schaffen, die sowohl den Wirkungsgrad des Kessels selbst als auch den Bedienkomfort und seine Betriebskosten positiv beeinflusst.aim The invention was therefore, with simple means already in the field the usual mechanical feed the texture of the fuel for the im Boiler to improve combustion process and thus one universal and cost-effective solution to create both the efficiency of the boiler itself as well It also has a positive effect on the ease of use and its operating costs.

Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des Anspruchs 1 oder Anspruchs 2 gelöst. Hierzu wird in die Beschickung für den Brennstoff in den Kessel die Röstung des Brennstoffes in einer separaten Baueinheit und als Möglichkeit eine Reinigungseinheit für das Röstgas eingegliedert, wobei die hierfür erforderliche erhitzte Luft aus einem Wärmetauscher im Kesselbrennraum durch die Primär- und/oder Sekundärluftgebläse angesaugt und mit der erforderlichen Kaltluft durch Mischen temperiert insgesamt oder als Teilstrom durch den Brennstoff in der Rösteinheit und von hier unter Mitnahme der Röstgase über eine einfache Reinigungseinheit in das Glutbett und/oder in die Flamme darüber geführt wird. Die in der Ansaugluft noch vorhandenen Röstgase müssen hierbei den längstmöglichen Weg durch die heißeste Zone des Kessels nehmen. Dies führt zu intensiverem Ausbrand und schadstoffärmeren Abgasen. Der eigentliche Brennstoff wird dabei durch die mit der Ausgasung verbundene Absenkung der Zündtemperatur brennfreudiger. Da insgesamt nur kleine Brennstoffdurchsätze vorliegen, kann der Röstvorgang in ausreichender Zeit und mit nur geringen Druckdifferenzen bei der Gasführung erfolgen. Dies erfordert kein absolut luftdichtes System und erlaubt die kontinuierliche Röstung mit einfachen technischen Mitteln bei geringem Bauvolumen.This is achieved by the features of claim 1 or claim 2 according to the invention. This is done in the feed for the fuel in the Boiler the roasting of the fuel in a separate unit and incorporated as a possibility a cleaning unit for the roasting gas, wherein the required heated air sucked from a heat exchanger in the boiler combustion chamber through the primary and / or secondary air blower and tempered with the required cold air by mixing in total or as Partial flow through the fuel in the roasting unit and from there with the entrainment of the roasting gases via a simple cleaning unit in the ember bed and / or in the flame is performed over it. The roasting gases still present in the intake air must take the longest possible path through the hottest zone of the boiler. This leads to more intensive burnout and low-emission exhaust gases. The actual fuel becomes more fuel-efficient due to the lowering of the ignition temperature associated with the outgassing. Since there are only small fuel throughputs overall, the roasting process can take place in sufficient time and with only slight pressure differences in the gas supply. This does not require an absolutely airtight system and allows continuous roasting with simple technical means with low volume.

Die Funktionsweise soll an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. In den zugehörigen Darstellungen zeigenThe Functionality will be explained on an exemplary embodiment. In the corresponding representations demonstrate

1 die schematische Anordnung der verfahrenstechnisch erforderlichen Baugruppen; 1 the schematic arrangement of procedurally required assemblies;

2 eine Ausführungsmöglichkeit der Rösteinheit als Zellradschleuse mit Gasreinigung. 2 an embodiment of the roasting unit as a rotary valve with gas cleaning.

Ein automatisch beschickter Biomassekessel (1) wird motorisch (M1) von der Kesselsteuerung geregelt über die in Intervallen drehende Zuführschnecke (4) aus einem Vorrat mit Brennstoff versorgt. Dieser gelangt nicht direkt über die Stokerschnecke (5) dosiert in die Brennerschale (6), sondern wird in den unteren Bereich der auch sonst zur Rückbrandsicherung üblichen und hier nun zusätzlich als Rösteinheit (3) fungierenden Zellradschleuse senkrecht zu deren Rotationsebene durch die Öffnung (9) eingefüllt. Von hier wird die portionsweise ankommende Brennstoffmenge von den Flügeln des Zellrades (10) etwa eine dreiviertel Umdrehung nach oben beginnend mitgeführt und kann am Ende dieses Teilumlaufes über eine Öffnung (11) im unteren Bereich der Rösteinheit (3) radial in die Stokerschnecke (5) gleiten. Da die Rösteinheit (3) je nach erforderlicher Röstzeit von 2 bis 20 min mit konstant geregelter Drehzahl arbeitet, ist eine konstante Drehzahl der Stokerschnecke (5) für die gleichmäßige Einbringung der Brennstoffmenge in die Brennerschale (6) möglich. So können beide Baueinheiten durch den Motor (M2) angetrieben werden.An automatically loaded biomass boiler ( 1 ) is motorized (M1) controlled by the boiler control via the infeed screw ( 4 ) supplied with fuel from a supply. This does not get directly over the stoker screw ( 5 ) metered into the burner bowl ( 6 ), but is in the lower part of the otherwise usual for backbone protection and here now additionally as a roasting unit ( 3 ) acting rotary valve perpendicular to its plane of rotation through the opening ( 9 ) filled. From here, the amount of fuel arriving in portions from the wings of the cellular wheel ( 10 ) carried about three-quarters of a revolution upwards starting and can at the end of this partial circulation via an opening ( 11 ) in the lower part of the roasting unit ( 3 ) radially into the stoker screw ( 5 ) slide. Since the roasting unit ( 3 ) depending on the required roasting time of 2 to 20 min works with constant regulated speed, is a constant speed of the stoker screw ( 5 ) for the uniform introduction of the fuel quantity into the burner shell ( 6 ) possible. So both units can be driven by the motor (M2).

Der Röstvorgang wird durch die gezielte Führung der Luftströme realisiert.Of the roasting process is through the targeted leadership the air flows realized.

Generell wird die Verbrennungsluft über Filter (14a, b, c) mit Raumtemperatur angesaugt. Die nach dem Filter (14a) durch eine Heizrohrspirale als Wärmetauscher (2) in die Feuerung des Biomassekessels (1) gelangende Luft wird hier auf mindestens 400°C erhitzt und danach über das Mischventil (7) unter Beimischung eines Teilstromes kalter Ansaugluft des Filters (14a) vorzugsweise auf 200–300°C temperiert in die Rösteinheit (3) geführt. Die Einbindung erfolgt hierbei in die kesselseitige Stirnfläche der Rösteinheit (3) im vorgenannten oberen Bereich des Teilumlaufes des Brennstoffes durch mehrere parallel verbundene Rohrstutzen. In gleicher Weise erfolgt die Abführung des Luft-Röstgas-Gemisches auf der rückwärtigen Seite der Rösteinheit (3). Die angegebenen Röstzeiten und Temperaturen sind in Verbindung mit nur geringen Volumenströmen ausreichend, z. Bsp. Getreidekorn auf 80 Masseprozent zu entgasen und zu trocknen. Das aus der Rösteinheit (3) kommende Gasgemisch kann nun direkt über einen regelbaren Injektor (8) in den druckseitigen Luftstrom des Primärlüfters eingemischt und mit diesem unterseitig durch das Glutbett der Brennerschale (6) mit den vorgenannten Zieleffekten gedrückt werden. Dies schützt den Primärlüfter und stellt durch das Injektorprinzip geringe Strömungsgeschwindigkeiten in der Rösteinheit (3) sicher. Analog könnte gleichzeitig oder ausschließlich die Führung des Röstgases mit Hilfe des Sekundärlüfters (SL) zum Brennraum erfolgen.Generally, the combustion air is filtered ( 14a , b, c) sucked in at room temperature. The after the filter ( 14a ) by a heating tube spiral as a heat exchanger ( 2 ) in the firing of the biomass boiler ( 1 ) is heated here to at least 400 ° C and then via the mixing valve ( 7 ) with admixing of a partial stream of cold intake air of the filter ( 14a ) preferably heated to 200-300 ° C in the roasting unit ( 3 ) guided. The integration takes place here in the boiler-side end face of the roasting unit ( 3 ) in the aforementioned upper region of the partial circulation of the fuel by a plurality of parallel connected pipe sockets. In the same way, the removal of the air-roasting gas mixture takes place on the rear side of the roasting unit ( 3 ). The specified roasting times and temperatures are sufficient in conjunction with only low flow rates, z. For example, degas grain to 80 percent by mass and dry. The from the roasting unit ( 3 ) coming gas mixture can now directly via a controllable injector ( 8th ) mixed into the pressure-side air flow of the primary fan and with this underside by the ember bed of the burner shell ( 6 ) are pressed with the aforementioned target effects. This protects the primary fan and, due to the injector principle, low flow velocities in the roasting unit ( 3 ) for sure. Analogously, the guidance of the roasting gas could take place simultaneously or exclusively with the aid of the secondary fan (SL) to the combustion chamber.

Darüber hinaus ist die Abführung des Luft-Röstgas-Gemisches von der rückwärtigen Seite der Rösteinheit und aus dem oberen Bereich des Zellrades (10) durch die offene Koppelung der Rösteinheit (3) mit einer anstelle des Deckels angeflanschten Reinigungseinheit (12) in diese hinein möglich. Aus dieser beispielsweise nach dem bekannten Prinzip einer Nasswäsche funktionierenden Reinigungseinheit (12) wird der Sumpf durch die Öffnung (13) entsorgt und das gewaschene Gasgemisch wird durch die Öffnung (15) weiter wie oben beschrieben in die Luftströme zum Kessel eingebunden. Alternativ ist hier die großvolumige Beimischung flüssiger oder gasförmiger Additive in das Gas-Luft-Gemisch technisch realisierbar.In addition, the removal of the air-roasting gas mixture from the rear side of the roasting unit and from the upper portion of the cellular wheel ( 10 ) through the open coupling of the roasting unit ( 3 ) with a cleaning unit flanged in place of the cover ( 12 ) into this possible. From this, for example, according to the known principle of a wet washing functioning cleaning unit ( 12 ) the sump will pass through the opening ( 13 ) and the washed gas mixture is passed through the opening ( 15 ) as described above in the air flows to the boiler involved. Alternatively, the large-volume admixture of liquid or gaseous additives in the gas-air mixture is technically feasible here.

Claims

Device for feeding biomass boilers ( 1 ) with biomass as fuel, wherein a roasting of the fuel takes place with the formation of roasting gases, wherein the biomass boiler ( 1 ) has a combustion chamber which is regulated with the fuel via a roasting unit ( 3 ) serving Zellradschleuse from a stock can be fed, while retaining the function as a return fireproofing the rotary valve in the lower area by means of a feed screw ( 4 ) is fillable with the fuel, wherein for the roasting heated air from a heat exchanger ( 2 ) in the biomass boiler ( 1 ) is sucked and fed with the roasting gases to the combustion chamber.

Method for feeding biomass boilers ( 1 ) with biomass as fuel, wherein the feed is carried out with a device according to claim 1.