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Die Erfindung betrifft eine Verbrennungsanlage mit einem Brennraum, einer Unterschubvorrichtung, über welche Brennmaterial durch eine im Boden des Brennraumes ausgenommene Öffnung in den Brennraum bewegbar ist, und einem den Brennraum umgebenden, vorzugsweise hohlzylindrischen, Brennhohlkörper, der in den Brennraum mündende Luftzufuhröffnungen aufweist, über welche Primär- und Sekundärluft in den Brennraum einleitbar ist.
Bei bekannten Verbrennungsanlagen für feste Brennstoffe werden verschiedene Einrichtungen, z. B. Kessel zur Wannwasseraufbereitung mit losen Granulaten oder Pellets befeuert. Es existieren Rostfeuerungen mit Klapp- und Treppenrost sowie verschiedene Unterschubfeuerungen.
Im Jahresdurchschnitt werden solche Verbrennungsanlagen zu ungefähr 10% der Betriebszeit unter Vollast und zu 90% der verbleibenden Zeit in Teillast betrieben. Installiert werden Anlagen, die für den Vollast-Betrieb ausgelegt sind, um jederzeit die grösste erforderliche Heizleistung zu gewährleisten. Entsprechend dieser Vollast-Anforderungen wird die Bauart der jeweiligen Anlage gewählt, wodurch sich eine von der Maximalleistung abhängige Baugrösse ergibt.
Ein befriedigender Betrieb dieser Verbrennungsanlagen ist unter Einhaltung der gesetzlich vorgeschriebenen Emmisionsgrenzwerte nur in einem begrenztem Bereich möglich. Gefordert sind mind. 30-100% der ausgewiesenen Nennleistung. Parameter, welche die Verbrennungsleistung bestimmen, müssen baugrössenbedingt ausgeführt werden. Durch fixe Brennsystemgrössen sind die Regelbereiche mit optimalen Verbrennungswerten meist sehr eingeschränkt und das Start- und Abschaltverhalten vor allem ab mittlerer Leistungsgrösse (über 100 kW) problematisch und langwierig. Bei automatischen Festbrennstoff-Verbrennungsanlagen ist ein einfaches Aus- und Einschalten wie bei flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen nicht möglich, da für den Betrieb ein entsprechendes Glutbett aufgebaut und für den Stillstand wieder abgebaut werden muss.
Dies sind jeweils kritische Phasen mit schlechten Verbrennungswerten, die zusätzlich durch die meist eingefassten Speicherelemente (Schamotte, hochtemperaturfeste Ziegel od. dgl. ) verzögert werden.
Speicherelemente werden hauptsächlich dazu verwendet, um einerseits einen direkten Kontakt der Flamme zum Wärmetauscher zu verhindern und andererseits als Konvektionsmasse feuchte Brennstoffe schneller vorzutrocknen.
Hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit einer solchen Anlage kann festgestellt werden, dass diese oft direkt von den Betriebszeiten im Nennlastbereich abhängig ist. Die
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Wirtschaftlichkeit im Teillastbetrieb ist meist ein Kompromiss zwischen den verbrennungstechnisch gerade noch befriedigenden Werten und der nennlastbedingten Baugrösse. Die anlagentechnische Wirtschaftlichkeit wird meist nachteilig beeinflusst.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Verbrennungsanlage für feste Brennstoffe der eingangs genannten Art anzugeben, mit der eine technisch einfache Verbrennung für eine Vielfalt von unterschiedlichen Brennstoffen innerhalb eines mehrfach vergrösserten optimierten Leistungsbereichs realisiert werden kann.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, das Start- und Abschaltverhalten der eingangs genannten Anlagen entscheidend zu verbessern.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die Luftzufuhröffuungen - in Gebrauchslage gesehen - im unteren Bereich des Brennhohlkörpers einen kleineren Durchmesser als im oberen Bereich des Brennhohlkörpers aufweisen.
Die Luftzufuhr in den unteren Bereich des Brennhohlkörpers erfolgt daher über Öffnungen mit relativ kleinem Querschnitt, wodurch zum einen die bei der Verbrennung entstehende Glut in ihrer Substanz nicht verändert oder zerstört wird und zum andern ausreichend Primärluft von der Seite her auf das verbrennende Brennmaterial zugeführt wird.
Im oberen Bereich wird die Zufuhr der Luft über grössere Öffnungsdurchmesser vorgenommen, um eine Verwirbelung der Luft für die dort beabsichtigte Sekundärverbrennung zu fördern. Auf diese Weise wirkt der Brennhohlkörper im unteren Bereich als Primärluft- und im oberen Bereich als Sekundärluftzufuhreinrichtung.
In weiterer Ausbildung der Erfindung kann der untere und der obere Bereich sich jeweils ungefähr über die halbe Höhe des Brennhohlkörpers erstrecken.
Damit ist für einen durchschnittlichen Brennmaterial-Füllgrad innerhalb des Brennraumes eine sehr wirkungsvolle Primär- und Sekundärluftzufuhr über den Brennhohlkörper verwirklichbar.
Um einen diskontinuierlichen Übergang zwischen dem unteren und dem oberen Bereich des Brennhohlkörpers zu vermeiden, ist in weiterer Ausbildung der Erfindung vorgesehen, dass sich der Durchmesser der Luftzufuhröffnungen in Richtung vom unteren zum oberen Bereich des Brennhohlkörpers vergrössert.
In Abhängigkeit von der Füllhöhe des Brennraumes können somit die auf mittlerer Höhe des Brennhohlkörpers vorgesehenen Luftzufuhröffnungen als Primär- oder als Sekundär-Luftzufuhröffnungen wirken.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Anzahl der Luftdüsen so gewählt sein, dass der Gesamtquerschnitt der Luftzufuhröffnungen in jeder Höhe
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des Brennhohlkörpers im wesentlichen gleich gross ist, wodurch eine über die Höhe des Brennhohlkörpers gleichmässig verteilte Luftzufuhr erzielbar ist.
Eine Variante der Erfindung kann darin bestehen, dass der Durchmesser der Luftzufuhröffnungen in einem Bereich von 2 mm bis 12 mm oder in einem Bereich von 3mm bis 24mm liegt. Die damit erzielbaren Brennerleistungen reichen z. B. von 50 kW bis 500 kW.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung kann darin bestehen, dass der Brennhohlkörper - in an sich bekannter Weise - von zumindest einem, die
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Brennhohlkörpers Luft zugeführt werden.
Um eine zusätzliche, separat steuerbare Luftzufuhr über den Brennhohlkörper zu ermöglichen, kann vorgesehen sein, dass ein Teil der Luftzufuhröffnungen von einem weiteren Luftzufuhrkanal umgeben ist, der mit einer weiteren LuftbeaufschlagungsEinrichtung, z. B. mit einem weiteren Druckluftgebläse, verbunden ist.
In weiterer Ausbildung der Erfindung kann im Brennraum-Boden - in an sich bekannter Weise - eine Primärluftzufuhreinrichtung vorgesehen sein, über welche dem Brennraum Primärluft zuführbar ist, und dass die Primärluftzufuhreinrichtung mit einer weiteren Luftbeaufschlagungs-Einrichtung, z. B. mit einem Primär-Druckluftgebläse verbunden ist.
Auf diese Weise kann zusätzliche Primärluft von unten in den Brennraum geleitet werden, um die Verbrennung zu fördern.
Weiters kann vorgesehen sein, dass die Luftzufuhröffnungen, vorzugsweise im oberen Bereich des Brennhohlkörpers, aus Luftdüsen gebildet sind. Mit Hilfe der Luftdüsen lässt sich eine für die Sekundärverbrennung vorteilhafte Verwirbelung der in den Brennraum strömenden Luft erreichen.
Eine ausreichend gerichtete Luftströmung der Düsen ist besonders dann gegeben, wenn in weiterer Ausbildung der Erfindung die Luftdüsen rohrförmig ausgebildet sind, wobei das Verhältnis von Länge zu wirksamen Durchmesser der Luftdüsen grösser als l ist.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung kann darin bestehen, dass die Luftzuführöffuungen der Luftdüsen einen Durchmesser im Bereich von 2mm bis 12 mm oder einen Durchmesser im Bereich von 3mm bis 24 mm aufweisen, wodurch sich Brennerleistungen von z. B. 50 kW und 500 kW erreichen lassen.
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Eine weitere Variante der Erfindung kann darin bestehen, dass die in der Wandung des Brennhohlkörpers angeordneten Luftzuftihröffnungen aus Luftdüsen gebildet sind, deren Luftausstossrichtung um einen spitzen Winkel oc gegenüber der radialen Verbindungslinie mit der Mittelachse des Brennhohlkörpers gedreht ist.
Die vom Zentrum des Brennhohlkörpers weggerichteten Luftströmungen aus den im Brennhohlkörper angeordneten Luftdüsen ergeben eine Wirbelbildung der die Verbrennung fördernden Luft, woraus sich eine Erhöhung des Verbrennungswirkungsgrades erzielen lässt.
Eine besonders wirksame Wirbelbildung ergibt sich bei einem Winkel a in einem Bereich von 2 bis 15 .
Eine weitere positive Beeinflussung der in den Brennraum geleiteten Luftströmung lässt sich in Weiterbildung der Erfindung dadurch erreichen, dass die Luftdüsen zusätzlich in einem spitzen Winkel ss gegenüber der durch die Luftdüsen verlaufenden Horizontalebenen nach oben geneigt sind, wobei der Winkel ss bevorzugt in einem Bereich von 50 bis 300 liegt.
Gemäss einer weiteren Fortbildung der Erfindung können die Luftdüsen in Horizontalebenen angeordnet sein, und die Luftdüsen aufeinanderfolgender Horizontalebenen entlang des Umfanges des Brennhohlkörpers versetzt sein, sowie die Ausstossrichtung der Luftdüsen aufeinanderfolgender Horizontalebenen abwechselnd um einen positiven und einen negativen Winkel a gegenüber der radialen Verbindungslinie gedreht sein.
Durch die abwechselnde unterschiedliche Ausrichtung der Luftdüsen wird eine die Verbrennung fördernde Durchwirbelung der Sekundär-bzw. Primärluft innerhalb des Brennraumes erreicht.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung kann darin bestehen, dass die Luftdüsen einen in sich drehenden Luftstrom erzeugen, wodurch eine sehr effiziente Verbrennung bewirkt wird.
Eine Erhöhung des Verbrennungswirkungsgrades lässt sich in weiterer Ausbildung der Erfindung dadurch erreichen, dass die Luftdüsen ein Luftdrall-Element, z. B. ein Luftdrallblech, aufweisen.
Weiters kann gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehen sein, dass die vorzugsweise mit einem Längsschlitz versehenen Luftdüsen Einlassöffnungen mit sich spiralartig vergrösserndem Einlassquerschnitt aufweisen, wodurch sich eine besonders starke Rotation der durch die Einlassöffnungen hindurchgeführten Luftströmung erreichen lässt.
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In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Luftzufuhröffnungen im unteren Bereich des Brennhohlkörpers mit in den Brennraum sich erweiternden, vorzugsweise kegelstumpfartigen, Bereichen versehen sind. Die dadurch erzielte Aufweitung der Luftzufuhröffhungen begünstigt die Verbrennung der in den Brennraum eingeblasenen Primärluft.
Bei einer Verbrennungsanlage der eingangs genannten Art kann zur Optimierung des Brennverhaltens erfindungsgemäss eine Steuerungs- und Regelvorrichtung vorgesehen sein, welche mit der Antriebseinheit der Unterschubvorrichtung und mit einer in einem die Verbrennungsabgase aus dem Brennraum ableitenden Abzugsrohr Lambda- oder einer CO-Messwert-Sonde verbunden ist.
Auf diese Weise kann der Vorschub der Unterschubvorrichtung anhand der mit der Lambda oder der CO-Messwertsonde gemessenen Gaskonzentrationen geregelt und somit das Abbrandverhalten entsprechend gesteuert werden.
Eine andere Variante der Erfindung kann darin bestehen, dass im oberen Bereich des Brennhohlkörpers eine Vorrichtung zur Verwirbelung der im zentralen Bereich des Brennraums sich ausbildenden Gasströmung ausgebildet ist. Der insbesondere im Zentrum von Brennhohlkörpern mit grossem Durchmesser sich einstellende turbulenzarme Bereich kann auf diese Weise mit zusätzlicher Verwirbelungsströmung beaufschlagt und dadurch die Ausbildung einer wirbelarmen Kernströmung verhindert werden, wodurch die Verbrennungswerte entscheidend verbessert werden können.
Gemäss einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann die Verwirbelungsvorrichtung aus einem sich entlang der Mittelachse des Brennhohlkörpers erstreckenden Rohr zur Zufuhr von Tertiärluft oder von rückgeführten Verbrennungsgasen in den Brennraum gebildet sein, welches Rohr schräg nach unten und/oder nach aussen gerichtete Zufuhröffnungen aufweist.
Die in den Brennhohlkörper solcherart zugeführte Tertiärluft ermöglicht die Wirbelbildung in einem von den in der Wandung des Brennhohlkörpers angeordneten Luftdüsen schlecht verwirbelten Bereich, bei Verwendung von rückgeführten Verbrennungsgasen zur Ausbildung von zusätzlicher Verwirbelung kann aufgrund des in diesen enthaltenem Kohlendioxid noch dazu ein kühlender Effekt erzielt werden, falls die Brennertemperatur auf einem relativ niedrigen Wert gehalten werden soll.
Weiters kann vorgesehen sein, dass die Verwirbelungsvorrichtung aus einer von oben in den Brennraum ragenden Verwirbelungsfläche gebildet ist, wobei vorzugsweise die
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Verwirbelungsfläche aus der Mantelfläche eines, vorzugsweise aus feuerfestem Beton gebildeten, Kegels besteht.
Die im oberen Bereich des Brennraumes angeordnete Verwirbelungsfläche lenkt die auf diese gerichteten Gasströmungen in den im Zentrum sich ausbildenden strömungsarmen Raum um und sorgt so für eine Erhöhung der Wirbelbildung im zentralen Bereich des Brennraumes.
Eine die bestehende Glut schonende Wegbeförderung der Verbrennungsrückstände kann bei einer Verbrennungsanlage mit einem den Brennraum unten abschliessenden Brennerboden, bei dem zwischen Brennerboden und Brennhohlkörper ein Spalt freigestellt ist, dadurch erreicht werden, dass eine Vorrichtung zur Schwingungserzeugung vorgesehen ist, welche mit dem, vorzugsweise kreisförmigen, Brennerboden gekoppelt ist, sodass der Brennerboden, vorzugsweise in horizontaler Richtung, zu Schwingungen anregbar ist.
Die Ausbildung von Schwingungen wird bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dadurch begünstigt, dass der Brennerboden federnd gelagert ist.
Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Regelung der Verbrennung in einer Verbrennungsanlage mit einer Unterschubvorrichtung, über welche Brennmaterial durch eine untere Öffnung in einen Brennraum bewegbar ist, mit einem im wesentlichen geschlossenen Brennerboden und mit einem Brennhohlkörper, der Luftzuftihröffnungen für die Zufuhr von Primärluft- und einer Sekundärluft in den Brennraum aufweist und der oberhalb des Brennerbodens angeordnet ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren dieser Art anzugeben, mit dem eine einfache Regelung der Verbrennung auf eine bestimmte, vorwählbare Gaskonzentration durchgeführt werden kann.
Weitere Aufgabe ist es, die Abstimmung des Anteils an Primär- und Sekundärluft automatisch zu regeln.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die Vorschubgeschwindigkeit der Unterschubvorrichtung in Abhängigkeit der Abweichung eines messbaren Gaskonzentrations-Ist-Werts, z. B des Sauerstoffgehalts, in den bei der Verbrennung entstehenden Verbrennungsgasen von einem Soll-Wert gesteuert wird, und dass die über die Primär- und Sekundärluftäffnungen zugeführte Gesamtluftmenge konstant gehalten wird.
Auf diese Weise wird genau soviel Brennmaterial über die Brennerboden- Öffnung in den Brennraum gefördert, als es für die Erreichung des vorbestimmbaren
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Gaskonzentrationswerts erforderlich ist. Da sich die Primärluft und die Sekundärluft je nach Füllstand des Brennraumes auf das Brennmaterial aufteilen, ergibt sich bei hohem Primärluftbedarf über die Regelung in Abhängigkeit des Gaskonzentrationswertes automatisch die für jeden Materialtyp erforderliche Füllstandhöhe. Dadurch stellt sich z. B. bei relativ feuchtem Material automatisch eine hohe Füllstandhöhe ein, weil der Primärluftbedarf entsprechend hoch ist. Umgekehrt ergibt sich eine niedrige Füllstandhöhe, wenn trockenes Material verbrannt wird. Die händische Abstimmung von Primärluft und Sekundärluft kann daher unterbleiben.
Somit sind mehrere, jeweils voneinander getrennt regelbare Primärluftzuführungen, Sekundärluftzuführungen und Glutbettgrössen in einem Gesamtsystem vereint.
Weiters kann bei einem Verfahren der vorstehend genannten Art eine Minimierung der Abgaskonzentration erfindungsgemäss dadurch erreicht werden, dass die Vorschubgeschwindigkeit der Unterschubvorrichtung in Abhängigkeit vom Minimalwert des bei der Verbrennung entstehenden Kohlenmonoxidgehalts und in Abhängigkeit von der Temperatur gesteuert wird, und dass die über die Primär- und Sekundärluftöffnungen zugeführte Gesamtluftmenge konstant gehalten wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand des in der beigeschlossenen Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels eingehend erläutert. Es zeigt dabei
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erfindungsgemässenVerbrennungsanlage ;
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemässen Verbrennungsanlage ;
Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Brennhohlkörper in abgerollter Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung ;
Fig. 4 eine vergrösserte Teilansicht des Brennhohlkörpers gemäss Fig. 3 ;
Fig. 5 einen Schnitt durch einen Brennhohlkörper einer weiteren erfindungsgemässen Ausführungsform ;
Fig. 6 eine Draufsicht auf den Brennhohlkörper gemäss Fig. 5 ;
Fig. 7 eine Ausführungsform einer Luftdüse in Seitenansicht ;
Fig. 8 einen Schnitt AA durch die Luftdüse gemäss Fig. 6 ;
Fig. 9 einen Schnitt durch einen Brennhohlkörper einer weiteren
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Fig. 10 einen Schnitt durch einen Brennhohlkörper einer weiteren erfindungsgemässen Ausführungsform.
Fig. 1 zeigt eine Verbrennungsanlage mit einem Brennraum 12, einer Unterschubvorrichtung 13 und einem Brennhohlkörper 9, die beispielsweise Teil einer nicht näher dargestellten Heiz-oder Warmwasseraufbereitungsanlage sein kann und über die bevorzugt biogene Heizmaterialien verfeuert werden können. Die Verbrennungsanlage kann aber auch mit anderen üblichen Heizmaterialien beschickt werden, vor allem aber Brennstoffe mit hohem Aschegehalt oder grosser Verschlackungstendenz, wie z. B. Karton, bis hin zu relativ feuchten Brennmaterialien lassen sich durch diese mit geringen Abgaswerten verbrennen.
An der Unterseite der Verbrennungsanlage ist die aus zwei auf einer Achse 20 gegenläufig angeordneten Schnecken 13 gebildete Unterschubvorrichtung vorgesehen, mit der Brennmaterial in einem unterhalb der Verbrennungsanlage angeordneten Kanal 15 von einer Seite horizontal auf eine in einem Brennerboden 5 ausgenommene Öffnung 14 zu bewegt wird. Angetrieben wird die Unterschubvorrichtung 13 über die Achse 20 und eine mit dieser verbundenen Antriebseinheit 27. Die Brennerboden-Öffnung 14 ist im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. l kreisrund ausgeführt, kann aber auch eine beliebig andere geometrische Form annehmen.
Im Bereich der Brennerboden-Öffnung 14 endet die eine Schnecke 13 und die andere setzt sich im entgegengesetzten Drehsinn fort, sodass das Brennmaterial bei Rotation der Achse 20 in die Öffnung 14 emporgedrückt wird, wodurch sich ein ständiger Nachschub an Brennmaterial in die Verbrennungsanlage ergibt. Je nach Umdrehungszahl oder Laufzeit der Achse 20 stellt sich damit ein höherer oder niedriger Materialdurchsatz ein. Das Brennmaterial gelangt damit in den Brennraum 12 der Verbrennungsanlage, wo es verbrannt wird. Eine Brennmaterialaufschubzone 1 ist dabei mittig in der Verbrennungsanlage angeordnet. Die während des Verbrennungsvorgangs im Brennmaterial sich einstellenden Zonen sind in Fig. 1 schematisch angedeutet. Von unten beginnend schliesst eine Entgasungszone 3 in herkömmlicher Weise an eine Materialvortrocknungszone 2 an.
An die Entgasungszone 3 anschliessend bildet sich eine Ausglühzone 4.
Konzentrisch um die Brennerboden-Öffnung 14 des im wesentlichen geschlossenflächig ausgebildeten Brennerbodens 5 ist der vorzugsweise hohlzylindrische, Brennhohlkörper 9 vorgesehen, der in den Brennraum 12 mündende Luftzuführöffhungen 10 aufweist, über welche Primär- und Sekundärluft in den Brennraum 12 einleitbar ist.
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Damit gelangt die Primärluft nicht wie in den bekannten Feststoffbrennem von unten in den Brennraum sondern ausschliesslich über die Luftzufuhröffnungen 10 von der Seite in das Brennmaterial. Die Brennerbodenscheibe 5 ist also unbelüftet, sodass keine Primärluft von unten an das Brennmaterial gelangen kann. Die Wirkung des Brennhohlkörpers 9 ist vom Füllstand des Brennraumes abhängig.
Bei hohem Füllstand wirken praktisch nur die obersten Öffnungen 10 als Sekundärluftöffnungen, während alle darunterliegenden Öffnungen 10 als Primärluft, öffnungen wirken, über die Primärluft direkt dem Brennmaterial zugeführt wird und die dort zur Verbrennung des Brennmaterials beiträgt. Die Sekundärluft dient hingegen lediglich der Nachverbrennung der bei der primären Verbrennung entstehenden Verbrennungsabgase.
Bei relativ geringem Füllstand wirken wiederum nur die untersten Öffnungen 10 als Primärluftöffnungen und alle darüberliegenden Öffnungen 10 als
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Erfindungsgemäss ist vorgesehen, dass die Luftzufuhröffnungen 10 - in Gebrauchslage gesehen - im unteren Bereich des Brennhohlkörpers 9 einen kleineren Durchmesser als im oberen Bereich des Brennhohlkörpers 9 aufweisen.
Durch diese Wahl der Durchmesser eignen sich die im unteren Bereich gelegenen Luftzufuhröffnungen 10 mit geringem Durchmesser eher als Primärluftzuführung, während die im oberen Bereich vorgesehenen Luftzufuhröffnungen 10 auf die Zufuhr von Sekundärluft abgestellt sind.
Fig. 3 und Fig. 4 zeigen den in einen flachen Zustand gerollten Mantel des Brennhohlkörpers 9 einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Der untere und der obere Bereich erstrecken sich jeweils ungefähr über die halbe Höhe des Brennhohlkörpers 9. Es verläuft der Übergang zwischen den Luftzufuhröffnungen des unteren Bereiches und denen des oberen kontinuierlich, wobei sich der Durchmesser der Luftzufuhröffnungen 10', 0", 10' in Richtung vom unteren zum oberen Bereich des Brennhohlkörpers 9 vergrössert.
Die Anzahl der Luftdüsen 10', 10", 10'"ist dabei vorzugsweise so gewählt, dass der Gesamtquerschnitt der Luftzufuhröffnungen in jeder Höhe des Brennhohlkörpers 9 im wesentlichen gleich gross ist.
Auf diese Weise wird eine Verwirbelung der im unteren Bereich des Brennraumes 12 befindlichen Glut durch die aus den Öffnungen mit kleinem Durchmesser strömenden Luft vermieden, zugleich die Luftzufuhr über die Höhe gesehen konstant
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gehalten. Als Beispiel sei der Durchmesser der Düsen 10'mit 6 mm und der Durchmesser der Düsen 10"'mit 13 mm angegeben. Bevorzugte Bereiche von Düsendurchmessem sind 2 mm bis 12 mm und 3mm bis 24 mm, mit denen etwa Heizleistungen von 50 kW bzw. 500 kW erreicht werden können. Die Abstufungen zwischen dem untersten und dem obersten Bereich des Hohlkörpers 9 können so wie die Düsendurchmesser nach Bedarf gewählt werden.
Der hohlzylindrische Brennhohlkörper 9 in Fig. 1 ist mit seiner Längsachse normal zum Brennerboden 5 ausgerichtet und in einem über eine höhenverstellbare Vorrichtung 23 einstellbaren Abstand zu diesem angeordnet, sodass ein Spalt 21 zwischen dem Brennzylinder 9 und dem Brennerboden 5 freigestellt ist, über den Verbrennungsrückstände nach aussen bewegbar sind. Damit kann eine sehr wirkungsvolle Entaschung der Verbrennung durchgeführt werden, ohne dass es zu einer Beeinträchtigung der Glut kommt. Je nach Einstellung des Spalts 21 wird mehr oder weniger verbranntes Material seitlich aus dem Brennraum 12 hinausbefördert, während die Verhältnisse im Zentrum der Glut unverändert weiterbestehen.
Erfahrungsgemäss ist aber gerade dieses Weiterbestehen der Brennverhältnisse von grosser Bedeutung für einen sauberen Abbrand, da andernfalls jede ruckartige Veränderung des Glutnestes, wie sie bei herkömmlichen Entaschungsvorgängen geschieht, eine sehr hohe Übergangszeit mit sich bringt, bis wieder ein sauberes Abbrandverhalten erzielt wird.
Während Brennmaterial über die Bodenöffnung 14 ständig nachgeschoben wird, kann die bei der Verbrennung entstandene Asche durch den Spalt 21 in den Unterbau der erfindungsgemässen Verbrennungsanlage gelangen und wird somit aus dem Brennraum 12 befördert.
Der als Scheibe mit einer mittigen Öffnung zur Hindurchführung des Brennmaterials ausgebildete Brennerboden 5 ist über ein Koppelglied 60 mit einer Vorrichtung zur Schwingungserzeugung 22, z. B. einem Motor, gekoppelt, sodass die Brennerboden-Scheibe 5, vorzugsweise in horizontaler Richtung, zu Schwingungen anregbar ist, die eine die Glut schonende Wegbeförderung von Ascheteilchen ermöglicht. Die Fortbewegung der Asche kann aber auch auf andere Art, z. B. mit Hilfe von Abstreifern 8 und einer rotierenden Brennerboden-Scheibe erfolgen.
Der Brennhohlkörper 9 sollte aus einer hochwertigen Stahllegierung gefertigt sein, da dadurch ein rasches Erwärmen auf Betriebstemperatur ermöglicht wird. Durch die permanente Luftdurchströmung über die Öffnungen 10 ergibt sich eine Kühlwirkung, die eine
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Überhitzung des Hohlkörpers 9 verhindert. Dadurch werden bestmögliche Bedingungen für die Verbrennung geschaffen. Nach dem Beenden der Verbrennung verhindert die geringe Speichermasse des Hohlkörpers 9 unnötige Wärmeverluste und ebenso ein Überhitzen der Heizanlage. Auf diese Weise lassen sich Feuerungsleistungen grösser als 150 kW mühelos beherrschen.
Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemässen Verbrennungsanlage ist in Fig. 2 dargestellt. In Übereinstimmung mit der in Fig. l gezeigten Variante ist der Brennerboden 5 im wesentlichen geschlossenflächig ausgebildet und trägt das aus der Öffnung 14 kommende Brennmaterial. Um die Brennerboden-Öffnung 14 ist ein, vorzugsweise hohlzylindrischer, Brennhohlkörper 9 vorgesehen. Der Unterschied zur Ausführungsform gemäss Fig. 1 besteht in der anders gestalteten Primär- und Sekundärluftzufuhr.
In der Brennerbodenöffnung 14 ist ein Doppelzylinder 25 eingefügt, der mit seinem Innenteil das Brennmaterial in das Innere des Brennraumes 12 führt und mit seinem Doppelmantel eine erste Primärluftzufuhreinrichtung ausbildet, über die dem Brennraum 12 mittels einer Zuleitung 26 Primärluft zugeführt wird, welche Zuleitung 26 mit einer Luftbeaufschlagungs-Einrichtung, vorzugsweise einem Primär-Druckluftgebläse 49, verbunden ist. Die Primärluft gelangt über Öffnungen des an seinem oberen Ende umgestülpten Doppelzylinders in den Brennraum 12 und erhält die Verbrennung im niedrigen Leistungsbereich aufrecht.
Der Brennhohlkörper 9 ist von einem die Luftzufuhröffnungen 10, 11 umgebenden Luftzufuhrkanal 31 umschlossen, der mit einer ersten LuftbeaufschlagungsEinrichtung, z. B einem Druckluftgebläse 40, verbunden ist. Die Zufuhr der Luft über die Öffnungen 10 kann, wie in Fig. 2 angedeutet, auch über getrennte Zuleitungen 31 erfolgen, wobei die Verteilung der Luft unabhängig von der Stellung eines Ventils 30 ist, dieses kann sowohl geöffnet als auch geschlossen sein, in beiden Fällen wird sich die Luftgesamtmenge im richtigen Verhältnis innerhalb des Brennraumes 12 aufteilen. Durch das Ventil 30 kann zusätzlich die Primär- und Sekundärluftaufteilung eingestellt und damit ein gewünschtes grösseres oder kleineres Glutbett erreicht werden.
Ein Teil der Luftzufuhröffnungen des Brennhohlkörpers 9 ist von einem weiteren, ringförmigen Luftzufuhrkanal 27 umgeben, der mit einer weiteren
Luftbeaufschlagungs-Einrichtung, z. B. einem in Fig. 2 angedeuteten, weiteren
Druckluftgebläse 24 verbunden ist, mit dem unabhängig vom Druckluft-Gebläse 40 für die
Nachverbrennung erforderliche Sekundärluft über die Luftzufuhröffnungen 11 in den
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Brennraum 12 eingeblasen werden kann. Die Luftzufuhröffnungen 11 stellen damit in Verbindung mit dem Luftzufuhrkanal 27 eine separat steuerbare Sekundärluftzufuhreinrichtung dar, die für den niedrigen Leistungsbereich ausreichend Sekundärluft liefert.
Die Luftzufuhröffnungen 10 bilden demgegenüber zusammen mit dem Kanal 31 eine weitere Primär- und Sekundärluftzufuhreinrichtung, die zum Erreichen einer höheren Leistung, z. B. über 100 kW, hinzugeschaltet werden kann.
Die Luftzufuhröffnungen 10 sind so wie die Luftzufuhröffnungen 11 in der Wandung des Brennhohlkörpers 9 angeordnet.
Damit gelangt die Primärluft nicht wie in den bekannten Verbrennungsanlagen allein von unten in den Brennraum 12 sondern zusätzlich über die Luftzufuhröffnungen 10 von der Seite auf bzw. in das Brennmaterial. Die Primärluft der ersten Primärluftzufuhreinrichtung 25 gelangt dabei weiterhin von unten an das Brennmaterial, trägt aber nur einen relativ geringen Anteil zur Verbrennung bei.
Die Funktion der Öffnungen 10 ist wie beim Brennhohlkörper des Ausführungsbeispiels gemäss Fig. l vom Füllstand der Verbrennungsanlage abhängig. Bei hohem Füllstand wirken nur die obersten Öffnungen 10 als Sekundärluftöffnungen, während alle darunterliegenden Öffnungen 10 als Primärluftöffnungen wirken, über die Primärluft direkt dem Brennmaterial zugeführt wird und dort zur Ausgasung des Brennmaterials beiträgt. Die Sekundärluft dient hingegen lediglich der Nachverbrennung der bei der primären Verbrennung entstehenden Verbrennungsabgase.
Bei relativ geringem Füllstand wirken wiederum nur die untersten Öffnungen 10 als Primärluftöffnungen und alle darüberliegenden Öffnungen 10 als Sekundärluftöffnungen. Damit ergibt sich eine vom Füllstand abhängige, automatische Aufteilung von Primär- und Sekundärluftzufuhr. Diese Eigenschaft kann für die Regelung der Verbrennung herangezogen werden
Die Grundeinheit der Verbrennungsanlage nach Fig. 2 besteht aus einem Brennersystem für den niedrigen Leistungsbereich, welches auf einem bereits bekannten System mit getrennter Primär- und Sekundärluftzuführung 25,27 aufbaut. Dieses System dient einerseits als schnell aktivierbare Verbrennungseinrichtung für den Minimalbetrieb, andererseits als sehr leistungsstarke Zündeinheit für alle nachfolgenden Brennerstufen.
Im Vollastbereich ermöglicht diese Bauart eine bessere Belüftung der inneren Brennstoffzonen. Dies führt zu mehr Leistung und schnellerer Reaktion im gesamten Ausgasungsbereich.
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Der oder die nachgeschalteten zweiten Brenner, welcher in Fig. 2 aus den Luftzufuhröffnungen 10 gebildet ist, dient bzw. dienen als Systeme zur Abdeckung höherer Leistungsbereiche, wobei die Verbrennungsluftverhältnisse in den nachgeschalteten Systemen bei passender Gesamtluftmenge automatisch in richtigen Teilen zu Primär- und Sekundärluft aufgeteilt werden.
Die Leistungsreduktionen bis zur Minimallast verlaufen ebenso optimiert und vermeiden grösstenteils das komplette Abschalten der Anlage. Beim Abschalten ergibt sich ebenso eine wesentliche Verbesserung, da lediglich das bereits minimierte Glutbett der ersten Brennerstufe heruntergefahren werden muss.
Ein auf Abgastemperatur geregelter Mischer mittels Direktauslassklappe vom Brennraum in den Kamin ermöglicht diesen vergrösserten Leistungsbereich bei gleichbleibend grossem Wärmetauscher kontrolliert zu nutzen. So werden wirksam unerwünscht niedrige Rauchgastemperaturen vermieden und der Wärmetauscher beim Starten, Stillstand und Abschalten geschont.
Fig. 5 und 6 zeigen eine weitere Ausführungsform eines Brennhohlkörpers, wie er z. B. bei einer Verbrennungsanlage gemäss Fig. 2 Verwendung finden könnte und bei dem
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6).Verhältnis von Länge zu wirksamen Durchmesser der Luftdüsen 110', 110", 11'grösser als 1 ist.
Weiters sind die Luftdüsen 110', 110", 11' zusätzlich in einem spitzen Winkel ss, vorzugsweise in einem Bereich von 50 bis 300 gegenüber der durch die Luftdüsen 110', 110", 11'verlaufenden Horizontalebene nach oben geneigt (Fig. 5). Die Verdrehung der Luftdüsen gegenüber der normal zur Brennerhohlkörper-Wand verlaufenden Richtung bewirkt einen schräg nach oben gerichteten Luftstrom, der eine die Verbrennung positiv beeinflussende Wirkung zeigt.
Zur weiteren Verwirbelung der Sekundär- und Primärluft sind die Luftdüsen 110', HO", 11'in Horizontalebenen angeordnet, wobei die Luftdüsen 110', 110", 11' aufeinanderfolgender Horizontalebenen entlang des Umfanges des Brennhohlkörpers 9 versetzt sind, die Ausstossrichtung der Luftdüsen 110', 110", 11'aufeinanderfolgender
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Horizontalebenen ist abwechselnd um einen positiven und einen negativen Winkel a
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Luftdrallblech, versehen sind, die dem Luftstrom einen Drall in achsialer Richtung verleihen.
Gemäss der in Fig. 7 und 8 gezeigten Ausführungsform weisen die Luftdüsen 110', HO", 11'einen in Längsrichtung verlaufenden Schlitz 50 auf, der die Ausbildung von Luftdüsen mit sich spiralartig vergrösserndem Einlass-Querschnitt durch Verformung des Rohrquerschnitts (Fig. 7) ermöglicht, durch die der hindurchgeführte Luftstrom ebenfalls einen Drall in achsialer Richtung verliehen bekommt.
Die Luftzuführöffhungen 10', 10"im unteren Bereich des Brennhohlkörpers 9 sind bevorzugt mit in den Brennraum 12 sich erweiternden, vorzugsweise kegelstumpfartigen Bereichen versehen, die eine trichterförmige Aufweitung ausbilden, welche die Verbrennung der eingeblasenen Primärluft begünstigt.
Weiters ist bei beiden in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Ausführungsformen der erfindungsgemässen Verbrennungsanlage eine Steuerungs- und Regelvorrichtung 28 vorgesehen, welche unter anderem mit der Antriebseinheit 27 bzw. 44 der Unterschubvorrichtung 13 und mit einer Lambda- oder einer CO-Messwert-Sonde 41 über elektrische Signalleitungen 300 verbunden ist, wobei die Lambda- oder CO-Messwert-Sonde 41 in einem die Verbrennungsabgase aus dem Brennraum 12 ableitenden Abzugsrohr 42 angeordnet ist.
Mittels dieser Anordnung lässt sich ein Verfahren durchführen, bei dem die Vorschubgeschwindigkeit der Unterschubvorrichtung 13 in Abhängigkeit von der Abweichung eines messbaren Gaskonzentrations-Ist-Werts, z. B des Sauerstoffgehalts, in den bei der Verbrennung entstehenden Verbrennungsgasen von einem Soll-Wert gesteuert wird, wobei die über die Primär- und Sekundärluftöffnungen zugeführte Gesamtluftmenge konstant gehalten wird.
Die Verbrennung kann damit nur anhand der eingestellten Gaskonzentration gesteuert werden. So kann mittels Lambda-Sonde der Sauerstoffgehalt gemessen und mit einem eingestellten Wert verglichen werden. Bei einer Abweichung wird durch Erhöhung oder Erniedrigung der Vorschubgeschwindigkeit der Unterschubeinrichtung der Füllstand innerhalb des Brennraumes so verändert, dass der Sollwert der Gaskonzentration erreicht wird.
Über die Füllstandhöhe gleicht sich aber auch die Verteilung von Primär- und Sekundärluftzufuhr automatisch an den richtigen Wert an. Relativ feuchtes Brennmaterial
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wird daher eine hohe Füllstandhöhe zur Folge haben, während trockenes Brennmaterial infolge der Regelung der Vorschubgeschwindigkeit eine eher niedrige Füllstandhöhe verursachen wird. In beiden Fällen heizt die Anlage mit dem gewünschten Gaskonzentrationswert, z. B. Lambda = 1, 5, unabhängig davon, ob feuchtes oder trockenes Material in den Brennraum 12 eingebracht wird. Die gesamte der erfindungsgemässen Anlage zugeführte Luftmenge pro Zeitintervall wird konstant gehalten.
Alternativ dazu kann die Vorschubgeschwindigkeit der Unterschubvorrichtung in Abhängigkeit vom Minimalwert des bei der Verbrennung entstehenden Kohlenmonoxidgehalts und in Abhängigkeit von der Temperatur gesteuert und die über die Primär- und Sekundärluftöffnungen zugefùhrte Gesamtluftmenge konstant gehalten werden.
In den Ausführungsbeispielen gemäss Fig. 9 und 10 ist im oberen Bereich des Brennhohlkörpers 9 eine Vorrichtung zur Verwirbelung der im zentralen Bereich des Brennraums 12 sich ausbildenden Gasströmung 71,70, 80,81 vorgesehen, um dem im zentralen Bereich des Brennraumes 12 insbesondere bei grossen Brennraumdurchmessern sich einstellenden strömungsarmen Raum eine verwirbelte Gasströmung zuzuführen und damit die Verbrennung zu fördern und die Ausbildung einer unverwirbelten Kernströmung zu verhindern.
Dabei ist gemäss Fig. 9 die Verwirbelungsvorrichtung aus einem sich entlang der Mittelachse des Brennhohlkörpers 9 erstreckenden Rohr 71 zur Zufuhr von Tertiärluft oder von rückgeführten Verbrennungsgasen in den Brennraum 12 gebildet. Dieses Rohr 71 weist schräg nach unten und/oder nach aussen gerichtete Zufuhröffnungen 70 auf, durch welche die Tertiärluft oder die rückgeführten Verbrennungsgase in den Brennraum 12 geleitet werden. Bei Verwendung von Verbrennungsgasen als Wirbelerzeuger kann aufgrund des in diesen beinhalteten Kohlendioxids ein zusätzlicher Kühleffekt erzielt werden, der die Brennraumtemperatur nach Bedarf senkt, falls dieser erwünscht ist.
Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 10 ist die Verwirbelungsvorrichtung aus einer von oben in den Brennraum ragenden Verwirbelungsfläche 81 gebildet, wobei vorzugsweise die Verwirbelungsfläche 81 aus der Mantelfläche eines, vorzugsweise aus feuerfestem Beton gebildeten, Kegels 80 besteht. Grundsätzlich können verschiedenste Verwirbelungsflächen z. B. aus Blech oder anderen feuerfesten Materialien vorgesehen sein, welche die aus den Luftzufuhrdüsen 110'stammende Strömung in den im zentralen Bereich des Brennraumes sich ausbildenden strömungsarmen Raum umlenkt.