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[Die Industrie der Steine + Erden]






Der Brennkegel

eine neue Generation der Rostfeuerungen

Der wachsende Markt im Bereich der thermischen Verwertung von Biomasse, Altholz und festen Abfallstoffen aller Art führte erneut zu einer kritischen Betrachtung der hierfür in Frage kommenden Verfahren. Dies sind im wesentlichen Wirbelschichtfeuerung und Rostfeuerungen in ihren verschiedenen Ausführungsformen. Bei der Untersuchung der verschiedenen Verfahren stießen die Mitarbeiter der Kohlenstaubtechnik Dr. Schoppe GmbH wiederholt auf grundsätzliche Nachteile.

Wirbelschichtfeuerung

  • Für die Ausbildung einer Wirbelschicht ist es erforderlich, die Stückgröße des Brennstoffes auf ca. 20 mm zu begrenzen.
  • Es ist notwendig, die Stückgrößenverteilung eng zu halten, damit sich die Wirbelschicht homogen ausbilden kann.

Rostfeuerungen

  • Die Durchsatzcharakteristik ist im wesentlichen neutral. Das heißt, die Verweilzeit der Brennstoffstücke ist nahezu unabhängig von ihrer jeweiligen Größe. Rostfeuerungen sind in diesem Zusammenhang als Zwangsförderer zu bezeichnen; die Aggregate können nur für eine maximale Verweilzeit ausgelegt werden, sind für kleinere Teile also überdimensioniert und garantieren bei Übergrößen keinen Ausbrand.
  • Bei Drehrohrfeuerungen stellen sich noch ungünstigere Verhältnisse ein. Große Stücke wandern wegen ihres besseren Rollvermögens schneller durch das Drehrohr als kleine. Somit haben große Stücke also eine kürzere Verweilzeit, während eine optimale Verbrennung genau das Gegenteil erfordert.
  • Durch eine geringe effektive Rostwärmebelastung (0,8 bis 1,7 MW/m2) ist die Eigenzündung bei schlecht brennbaren Stoffen (z.B. durch hohe Feuchte) nicht gewährleistet; eine Stützfeuerung ist erforderlich.
  • Zur Vermeidung von CO-Emissionen müssen hohe Luftüberschüsse in Kauf genommen werden. Durch die damit verbundenen niedrigeren Verbrennungstemperaturen erhöht sich insbesondere die Gefahr der Bildung von Dioxinen und Furanen bei gleichzeitiger Verringerung des Kesselwirkungsgrades.
  • Infolge geringer Bewegungen auf dem Rost bestehen Neigungen zu Verschlackungen, die nur während eines Stillstandes beseitigt werden können.

Dr. Schoppe und seine Mitarbeiter stellten sich der Aufgabe, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem diese Nachteile beseitigt werden. Um die Marktfähigkeit zu gewährleisten, sollten ferner die Investitionskosten des neuen Systems gegenüber bisherigen Anlagen geringer werden. Mit der Entwicklung des Brennkegels ist dies in allen Punkten gelungen.



Emissionsarme Abfallverbrennung in der Brennkegel-Feuerung

Abfälle wie Altholz, Kunststoffreste, Koksrückstände usw. lassen sich in der Brennkegel-Feuerung mit sehr geringem Luftüberschuss verbrennen, z.B. 8 bis 15%. Dies ergibt Heißgas-temperaturen von etwa 1300 bis 1500°C. Dadurch sind die Grenzwerte der 17. BImSchV hinsichtlich der organischen Schadstoffe (Dioxine, Furane, CO, Kohlenstoff usw.) mit guter Sicherheit eingehalten.Die Feuerung enthält eine wirksame Heißgasentstaubung. Das erzeugte Heißgas von 1300 bis 1500°C ist optisch klar. Beim Austritt der Heißgase in die freie Atmosphäre sieht man keinen Staub, sondern nur das Hitzeflimmern. Trotz der hohen Temperaturen gibt es keine Schlackeprobleme, auch nicht bei Abfällen wie Altholz u. dgl., deren Ascheschmelzpunkte deutlich unter 1000°C liegen. Wegen der geringen O2-Gehalte sind auch die NOX-Werte niedrig.Hervorzuheben ist, dass das Landesamt für Umweltschutz in München und das Staatliche Umweltfachamt in Meißen die Entwicklung begleitet haben, damit die Neuentwicklung in allen Belangen den Forderungen des Umweltschutzes gerecht wird. Inzwischen wurden auch die Genehmigungen zur Errichtung von zwei Anlagen erteilt; eine davon wird in Regensburg und die andere in Dresden gebaut. Auch diese Referenzanlagen werden von den Landesbehörden weiterhin betreut, um optimale Ergebnisse und Erkenntnisse zu bekommen.
Für die "Die Industrie der Steine und Erden" stellte das Unternehmen jetzt das neue System in seiner Versuchsanlage in Geretsried vor, um dem bedeutenden Industriezweig Steine und Erden mit seinem sehr hohem Wärmebedarf eine Alternative zur Wärmegewinnung aufzuzeigen.

Aufbau der Brennkegel-Feuerung


Abb. 2: Funktionsprinzip einer Brennkegelanlage
Abb. 2: Funktionsprinzip einer Brennkegelanlage


Diese besteht aus zwei, für das Ergebnis wesentlichen Komponenten: Kegelrost und Nachbrennkammer (Abb 2):

  • Der Rost ist kegelförmig mit einem Öffnungswinkei von 100° und rotiert um eine schräge Achse von 35° Neigung gegen die Horizontale.
  • Dem Rost ist koaxial eine konische Nachbrennkammer nachgeschaltet, die den restlichen Ausbrand bewirkt und die entstehenden Heißgase entstaubt. Es handelt sich hierbei um den Schoppe-Brenner, weiterentwickelt zu einem sehr wirksamen Drehströmungsentstauber.
  • Der Kegelrost ist mit der Hinterwand des Ofens auf einem Wagen gelagert und kann nach Abschrauben der Hinterwand nach hinten herausgezogen werden. Der Kegelrost ist dann von allen Seiten zugänglich (Abb. 3).


Abb. 3: Brennkegelrost herausgezogen
Abb. 3: Brennkegelrost herausgezogen




Der Brennkegel

Der Brennkegel ist also ein kegelförmiger, langsam rotierender Rost, dessen untere Mantellinie vom großen Durchmesser zur Kegelspitze hin ansteigt und dessen Kegelachse eine Neigung hat (Abb. 4).

Abb. 4: Aufbau einer Brennkegel-Feuerung
Abb. 4: Aufbau einer Brennkegel-Feuerung
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An den Kegel schließt sich ein zylindrischer Teil zur Vergrößerung des Speichervolumens an. Die Kegelfläche ist im wesentlichen aus gegossenen Roststäben aufgebaut. Sie bestehen aus Cr-Ni-Guß und sind hochbeständig gegen Temperatur und Korrosion. Die Konstruktion der Stäbe ist so, dass zwischen ihnen Abstände vorhanden sind. Durch diese Schlitze fällt die entstehende Asche in den unter dem Kegel angeordneten Aschetrichter.Selbstverständlich fallen so auch kleine, noch in Verbrennung begriffene Teile aus dem Kegel heraus. Eine gesonderte Belüftung der Aschenoberfläche bewirkt jedoch deren vollständigen Ausbrand, welcher erfahrungsgemäß nach dem Durchfallen höchstens einige Minuten benötigt.Die übrigen Feststoffe werden im brennenden Zustand an der Kegelwand emporgetragen und gewinnen dabei im Zuge der fortschreitenden Verbrennung an Temperatur (Abb. 1).

Abb. 1: Blick in den Brennkegel
Abb. 1: Blick in den Brennkegel


Außerdem sind sie dort der Einstrahlung der Flamme ausgesetzt, welche von der tiefer liegenden Feststoffoberfläche emporsteigt.
Am oberen Punkt des Schüttkegels angekommen, rollen die brennenden Feststoffteile zum Fuß des Schüttkegels zurück und tragen dort zur weiteren Aufheizung und zur Zündung bei. Durch dieses ständige Umwälzen des Feststoffes im Glutbett wird der Verbrennungsvorgang intensiviert, die effektive Rostwärmebelastung erreicht 3 bis 4 MW/m2. Dieser Umstand fährt zu einem herrvorragenden Weiterzündungsvermögen auch bei Brennstoffen mit hohen Feuchtegehalten.



Der Ascheabzug

Durch die Roststab-Abstände fällt die Verbrennungsasche hindurch. Sie wird in einem unter dem Kegel liegenden Aschetrichter gesammelt. Die große Verweilzeit bewirkt im Zusammenhang mit der Belüftung der Aschenoberfläche einen sehr guten Ausbrand, der Anteil an Unverbranntem in der Asche beträgt weniger als 2 %.Aufgrund des geschlossenen Prinzips kann es zur Anreicherung grobstückiger, unverbrennbarer Reste (Steine, Metallteile, Schlacke, etc.) im Kegel kommen. Diese sind jedoch bei ihrer kreisenden Bewegung im Kegel einem raschen Temperaturwechsel ausgesetzt. Einerseits werden die unverbrennbaren Bestandteile durch auftreffende Luftstrahlen abgekühlt, andererseits entstehen neben dem Luftstrahl infolge der Sauerstoffkonzentration und Luftgeschwindigkeit hohe örtliche Temperaturen im Brennstoffbett. Dieser Temperaturwechsel und der durch das Abrollen entstehende Mahleffekt bewirken, dass anorganisches, grobstückiges Material zerkleinert wird. Die sich bildende Schlacke setzt sich aufgrund der intensiven Bewegung nicht am Rost fest, sondern unterliegt dem selben Zerkleinerungseffekt. Glas und Aluminium schmelzen und tropfen durch die Rostschlitze in den Aschekasten. Verbleibendes Material kann durch zyklisches Zurückfahren des Kegelbodens vollständig entleert werden.



Die Nachbrennkammer

Wesentlich für die Qualität einer Feststoff-Verbrennungsanlage ist eine gute Vermischung der Verbrennungsluft mit dem vom Feststoffbett stammenden Gasstrom. Bei schlechter Vermischung bilden sich neben Strähnen mit Luftüberschuss insbesondere solche, mit lokalem Luftmangel, welche für schlechten Ausbrand verantwortlich sind. Dies kann nur dadurch kompensiert werden, dass deutlich überstöchiometrische Luftmengen der Verbrennung zugeführt werden. Der damit verbundene Luftballast führt aber zu einer Verringerung der Verbrennungstemperaturen und damit zu einer Verschlechterung der Reaktionsbedingungen, die zu erheblichen Problemen bei der Verbrennung von solchen Feststoffen führen, welche nach der 17. BImschV verbrannt werden müssen.Um diese Nachteile zu vermeiden, wurde für die Brennkegelfeuerung eine speziell gestaltete Nachbrennkammer entwickelt. Sie besteht aus einem konisch gestalteten Raum der sich auf das 0,6-fache des Eintrittsdurchmessers verjüngt. Im daran anschließenden Teil erfolgt über ein Leitschaufelsystem die tangentiale Zuführung der Sekundärkuft mit einer Eintrittsgeschwindigkeit von ca. 80 m/s. Diese Anordnung bewirkt folgende Effekte:

  • Die Art der Luftzuführung erzeugt eine starke Zirkularströmung. Durch die daraus resultierenden Zentrifugalkräfte ergibt sich in der Nachbrennkammer eine randnahe, kalte Rückströmzone, in der ausgeschleuderte Flugasche nahezu vollständig zum Brennraum zurückgefördert wird (Abb. 2). Dadurch sinken die Staubgehalte im Rohgas auf etwa 500 mg/mN3.
  • Die Zirkularströmung bewirkt im Zentrum einen Unterdruck, durch den sowohl der vom Feststoffbett stammende Gasstrom als auch die rückströmende Verbrennungsluft eingesaugt wird.
  • Im Bereich zwischen der wandnahen Rückströmung und der zentralen Aufwärtsströmung bildet sich eine Zone intensiver Turbulenz mit wesentlich höheren Frequenzen als in üblichen Nachbrennkammern. Dadurch ergeben sich entsprechend hohe Mischleistungen, die einen optimalen Ausbrand sicherstellen.


Verbrennungsluftzufuhr

Wichtig für eine hohe Verbrennungsleistung des Brennkegels ist die genau abgestimmte Primärluftführung.

Abb. 5: Tragarme des Brennkegels
Abb. 5: Tragarme des Brennkegels


Der Unterwind wird deshalb durch sorgfältig verteilte Düsen in den Tragarmen des Brennkegels (Abb. 5) dem Brenngut zugeführt. Dies geschieht unter Anwendung einer speziellen Luftsteuerung, die bewirkt, dass nur diejenigen Tragarme mit Verbrennungsluft beaufschlagt werden, auf denen das Brenngut liegt.Wegen der großen Bedeutung der Nachbrennkammer hinsichtlich ihres Beitrags zum Ausbrand und ihrer Wirkung als Entstauber ist es wünschenswert, einen möglichst großen Anteil der erforderlichen Verbrennungsluftmengen in der Nachbrennkammer zuzugeben. Das gute Weiterzündungsvermögen im Feststoffbett erlaubt, die Primärluftzahl je nach Brennstoff auf Werte bis zu (= 0,3) zu reduzieren, ohne dass damit die Stabilität des Verbrennungsvorganges gefährdet wird.
Darüber hinaus ergeben sich durch diese geringen Luftmengen im Feststoffbett Temperaturen, die auch unterhalb niedrig liegender Ascherweichungspunkte liegen. Die Bildung von Schlacke wird somit weitgehend verhindert. Die hohen Verbrennungstemperaturen stellen sich erst in der Nachbrennkammer ein.
Durch die gute Vermischungsleistung der Nachbrennkammer lassen sich über die Sekundärluft Sauerstoffgehalte im Abgas um 2 bis 4 % realisieren, ohne dass dadurch die Ausbrandqualität beeinträchtigt wird. Dies lässt sich sehr gut über eine Messung der CO-Emissionen in Abhängigkeit der O2-Gehalte im Rauchgas belegen (Abb. 6).



Abb. 6: Emissionen in Abhängigkeit vom O2-Gehalts
Abb. 6: Emissionen in Abhängigkeit vom O2-Gehalt




Brennstoffe

Der Kegelrost ist für stückige Brennstoffe geeignet wie z.B. Abfallholz, auch mit Beschichtungen oder Imprägnierungen sowie mit Metallteilen, wie Türgriffen, Glasresten:

  • Kunststoffabfälle
  • Abfälle von Packmaterial einschl. Pappe, Draht, Nägel
  • aschereiche Kohle
  • Abfälle der Lebensmittelindustrie, Landwirtschaft
  • Büroabfälle, Aktenordner, Bücher
  • Rechengut der Abwasserklärungen
  • Petrolkoks und ähnliche koksartige Rückstände.

Geeignet sind Stückgrößen bis zu etwa 10 % des Kegeldurchmessers. Bei größeren Stücken wie Eisenbahnschwellen usw. lässt die Rostleistung entsprechend nach; die Ausbrandwerte bleiben aber gut.Weniger geeignet sind:

  • staubförmige Brennstoffe wie z.B. Schleifstaub; dieser kann aber in dem Zündbrenner verfeuert werden,
  • nasse Abfälle wie Filterkuchen; diese erfordern Zusatzmaßnahmen wie Vorwärmung des Unterwinds, Zufeuerung anderer Brennstoffe oder Vortrocknung.


Die Betriebsweise

Über den Einwurfschacht wird der Brennstoff dem Brennkegel zugeführt. Ein Doppelklappensystem verhindert dabei den Austritt heißer Gase. Ein für diesen Einsatzfall konzipierter Zündbrenner (Gas-, Öl- oder Staubausführung) sorgt mit seinem hohen Impuls für eine schnelle Zündung des Brennstoffes; der Zündbrenner wird nach Erreichen der Betriebstemperatur abgeschaltet.Die Leistungsanforderung regelt die zugeführte Luft- und Brennstoffmenge. Über die Messung des Sauerstoffüberschusses im Abgas werden beide Ströme aufeinander abgestimmt. Die besondere Emissionscharakteristik erlaubt bei Einhaltung der gesetzlichen Grenzwerte hierbei einen weitaus größeren Toleranzbereich als bei konventionellen Rostfeuerungen. In der Ausbrennphase des Brennkegels wird der Zündbrenner wieder zugeschaltet, um einer Entstehung von Kohlenmonoxid entgegenzuwirken.



Zusammenfassung

Zusammenfassend ergeben sich durch die Brennkegeltechnik folgende Eigenschaften:

  • Der Ausbrand ist unabhängig von der Stückgröße und der Stückgrößenverteilung des Brennstoffes. Eine Anpassung der Betriebsparameter an wechselnde Brennstoffe entfällt.
  • Es ist nur ein geringer Luftüberschuss erforderlich. Dadurch kann eine sehr hohe Verbrennungstemperatur realisiert werden, die wirksam ist gegen die Emission von organischen Stoffen (Dioxine, Furane).
  • Schlacke bildet sich allenfalls bei Betriebsweisen in denen höhere Primärluftzahlen gefahren werden. Infolge der ständigen Wälzbewegung setzt diese den Rost jedoch nicht zu, sondern rutscht unter ständiger mechanischer Beanspruchung durch die Rostschlitze und gelangt so in den Aschetrichter.
  • Die kompakte Bauweise minimiert den Platz- und Kostenaufwand einer Brennkegelanlage gegenüber konventionellen Anlagen (Abb. 7).


Abb. 7: Die Brennkegel-Versuchsanlage in Geretsried
Abb. 7: Die Brennkegel-Versuchsanlage in Geretsried






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