DE102005033320B4

DE102005033320B4 - Verfahren zum Verbrennen fester Brennstoffe und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102005033320B4
Application number: DE200510033320
Authority: DE
Inventors: Dominic Umscheid
Original assignee: Dominic Umscheid
Current assignee: SOLARVENT VERWALTUNGS GMBH, DE
Priority date: 2005-07-16
Filing date: 2005-07-16
Publication date: 2008-06-12
Anticipated expiration: 2025-07-17
Also published as: DE102005033320A1

Abstract

Verfahren zum Verbrennen fester Brennstoffe in einer einzigen geschlossenen Brennkammer mittels einer primären Luftzufuhr (3) und einer sekundären Luftzufuhr (4), vorzugsweise in einem Leistungsbereich von 4 bis 27 kW, wobei die Brennkammer einen Rost (7) mit einem Brennermantel (S) und mindestens zwei Luftkammern (P.1; P.2) umfasst und wobei die sekundäre Luftzufuhr (4) durch den Brennermantel (S) und dessen Durchbrüche (10) in Richtung auf die Flamme geführt wird und die primäre Luftzufuhr (3) direkt von unterhalb des Rostes (7) vertikal durch den Brennstoff in Richtung der Flamme geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass je nach Leistungsbereich in mindestens zwei Leistungsstufen die den mindestens zwei Luftkammern (P.1; P.2) zugeordneten Teile des Rostes (7) mit einer Menge Brennstoff belegt werden und die primäre Luftzufuhr (3) nur denjenigen Luftkammern (P1; P.2) zugeführt wird, deren zugeordnete Teile des Rostes (7) mit Brennstoff belegt sind, und wobei in jeder Leistungsstufe der Leistungsmodulation in Abhängigkeit von der Brennstoffmenge...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbrennen fester Brennstoffe sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Allgemein bekannt ist, dass aus den umweltfreundlichen Brennstoffen während der automatischen Verbrennung in der Heizung Wärmeenergie entsteht. Die Verbrennung und dessen Leistungsabgabe startet vollautomatisiert.
So ist in dem DE-Gebrauchsmuster DE 298 12 898 U1 beschrieben, dass ein Flammrohr einen Wärmetauscher durchsetzt und dieses Flammrohr von Wasser an seinem Außenmantel umspült ist. Die Luftkammer des Pelletbrenners selbst ist mit einem wärmeisolierenden Mantel umgeben. Um den Abstand von der Seitenwand des Feststoffbrennkessels zu überbrücken, ist eine Sekundärluftzuleitung an das Flammrohr angeschlossen. Die Primärluftzuleitung erfolgt derart, dass sie unterhalb der Luftkammer mittels eines Rostes angeschlossen und darunter mindestens eine für die Primärluft zuständige Austrittsöffnung mit mindestens einer Zuleitung angeordnet ist.
Auch das DE-Gebrauchsmuster DE 298 09 059 U1 stellt einen Rost mit stufenförmig angeordneten Rostplatten für Brennstoffkessel unter Schutz, wobei bei Vorhandensein eines einzigen Rostes im Bereich der Seitenwangen und bei Vorhandensein von mindestens zwei Teilrosten im Bereich der Seiten- und Firstwangen der Rost bzw. die Rostplatten einzeln lösbar zu befestigen sind.
Ferner enthalten weitere Schutzrechte, wie DE 297 19 238 U1 , WO 99/15833 A1 , EP 0 945 676 A2 , DE 100 21 434 A1 , US 1 522 529 A , DE 100 12 895 A1 und DE 39 15 992 A1 Verbrennungsanlagen.
Allgemein bekannt sind Brenner für feste Brennstoffe, welche in der Lage sind, die daraus entstehende Wärme in einem Raumofen oder in einer Zentralheizung zu nutzen. Üblicherweise wird hierfür das Luftverhältnis von der Primär- zur Sekundärluft einmalig bei der Inbetriebnahme durch den Installateur vor Ort eingestellt, bis bei Nennwärmeleistung eine bestmögliche Verbrennung stattfindet. Das Problem hierbei ist jedoch, dass, wenn sich die Menge des Brennstoffs ändert, oder wenn der Heizkessel nicht auf Nennleistung betrieben wird, die Verbrennung aufgrund des nicht optimalen Luftverhältnisses nicht einwandfrei vonstatten gehen kann. Dies hat zur Folge, dass immer dann, wenn diese Zustände eintreten, der Brennstoffverbrauch steigt und die Umwelt mit zusätzlichen Luftschadstoffen belastet wird. Der Grund für diese Verbrennungsprobleme liegt an den nicht an die Brennstoffmenge angepassten Luftverhältnissen im Brenner. Es ist bei den marktüblichen Systemen nicht möglich, eine wirkliche Leistungsmodulation zu fahren. Dies ist auch der Grund, warum sinnvoller Weise bei diesen Systemen ein Pufferspeicher verwendet werden muss, da hierdurch die sonst nötige Leistungsmodulation vermieden werden kann.
Andere auf dem Markt befindlichen Brennstoffkessel zur Verfeuerung von festen Brennstoffen verbrennen das Brenngut gerade während der Leistungsmodulation aufgrund der nicht gezielten und an das Brenngut angepassten Lufteinbringung in die Flamme nicht optimal. Dies führt zu schlechten Abgaswerten mit z. T. hohen Emissionen und einem niedrigen Wirkungsgrad.
Deshalb macht sich die Erfindung zur Aufgabe, die Lufteinbringung automatisch und mehrstufig derart optimiert in eine Luftkammer eines Brenners zur Verfeuerung von festen Brennstoffen zu bringen, dass für jede Leistungsstufe bzw. Brennstoffmenge der Leistungsmodulation auch ein bestimmtes Luftverhältnis zwischen mindestens einer primären und einer sekundären Verbrennungszone erreichbar ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
In vorteilhafter Weise wird die Anzahl der primären Luftzuführungen von der Anzahl der Luftkammern in Abhängigkeit gebracht wird. Jede einzelne primäre Luftzufuhr und die sekundäre Luftzufuhr wird voneinander getrennt mittels automatisch betriebener und gesteuerter Regelventile zu den einzelnen Luftkammern und dem Außenumfang des Brennermantels geführt. Alternativ kann auch jede primäre Luftzufuhr und die sekundäre Luftzufuhr mittels Gebläse gesteuert werden.
Um die verfahrenstechnische Lösung durchsetzen zu können, wird zugleich die Aufgabe mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Nebenanspruchs 6 gelöst. Insbesondere wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der aus mehreren Teilen bestehende Rost aus einem zentralen Teil mit mindestens zwei unterteilten Luftkammern und einem Brennermantel als peripherem Teil besteht, wobei entsprechend der Anzahl der Luftkammern für jede primäre Luftzufuhr und für die sekundäre Luftzufuhr jeweils ein automatisch betriebenes Regelventil anzuordnen ist. Der zentrale Teil des Rostes weist Durchbrüche auf, um die primäre Luftzufuhr zu gewährleisten, wobei wiederum diese Durchbrüche im zentralen Teil des Rostes und dessen Luftkammer unterschiedliche Größen aufweisen. Ebenso weist der die Luftkammern umschließende Brennermantel Durchbrüche auf, um die sekundäre Luftzufuhr zu gewährleisten. Hervorzuheben sei, dass die primäre Luftzufuhr direkt unter dem Rost zuzuführen ist, um die primäre Luftzufuhr direkt in die Flamme zu leiten, und die sekundäre Luftzufuhr im oberen Bereich des Brennermantels zuzuführen ist.
Die Durchbrüche des zentralen Teiles des Rostes mit dessen Luftkammern sind von innen nach außen verlaufend kleiner werdend zu fertigen, um die Flamme in der Mitte des Brenners zu konzentrieren und somit einen möglichst vollständigen Abbrand zu erreichen. Alternativ ist anstelle der Regelventile für jede primäre Luftzufuhr und der einen sekundären Luftzufuhr ein eigenes regelbares Gebläse zu fertigen.
Es hat sich als Vorteil während des Verbrennungsvorganges erwiesen, dass das Rost selbst aus mindestens zwei Brennkammern bestehen sollte, deren Durchbrüche jeweils von innen nach außen hin verlaufend kleiner werden. Je nach Menge des festen Brennstoffes auf dem Rost sind unterschiedlichste Leistungsbereiche erreichbar. Die gängigsten Leistungsbereiche liegen bei ca. 4 kW bis 27 kW. Um den Brennvorgang auch während der Leistungsmodulation optimal aufrecht zu halten, macht sich für jede Leistungsstufe der Leistungsmodulation ein bestimmtes Luftverhältnis zwischen der Primär- und der Sekundärverbrennungszone notwendig. Durch den Einsatz von automatisch betriebenen Regelventilen oder Gebläsen sowie einer besonderen Geometrie des Rostes in Verbindung mit einer eigens erstellten Mikroprozesssteuerung, welche hierbei nicht weiter erwähnt sein sollte, wird je nach dem erforderlichen Wärmebedarf die erforderliche Leistung automatisch ermittelt und an den Brenner selbst weitergegeben. Je nach Brennstoffmenge werden innerhalb von wenigen Sekunden die Luftverhältnisse – die primäre und die sekundäre Luftzufuhr – angepasst.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung des Erfindungsgedankens sieht vor, die Anzahl der primären Luftzuführungen von der Anzahl der Luftkammern des Rostes abhängig zu machen. Aber auch ist es erwiesen, dass die Anzahl der primären Luftzuführungen losgelöst von der Anzahl der Luftkammern des Rostes in Richtung der Flamme geführt werden kann. Dies macht es möglich, da jede primäre und die sekundäre Luftzufuhr voneinander getrennt zu den einzelnen Luftkammern und dem Außenumfang des Rostes geführt wird, dass jede primäre und die sekundäre Luftzufuhr mittels automatisch betriebener Regelventile oder mittels Gebläse gesteuert wird. Denkbar ist auch, die primäre Luftzufuhr unabhängig von der Anzahl der Luftkammern derart zu betreiben, dass auch eine einzige primäre Luftzufuhr direkt dem Rost zugeführt wird.
Als weiterer Vorteil hat sich erwiesen, dass durch das Brennverfahren die Verbrennungsluft optimal und kontrolliert in die Verbrennungsreaktion einwirken kann und somit während der gesamten Leistungsmodulation eine höchst effiziente und saubere Verbrennung stattfindet.
Besonders an dem erfindungsgemäßen Verbrennungsverfahren ist die automatisch geregelte mehrstufige Lufteinbringung hervorzuheben. Hierdurch ist es möglich, dass die Verbrennung auch während der Leistungsmodulation immer optimal vonstatten geht, da für jede Leistungsstufe der Leistungsmodulation ein bestimmtes Luftverhältnis zwischen der Primär- und der Sekundärverbrennungszone notwendig ist. Durch den Einsatz, z. B von automatisch betriebenen Regelventilen oder einzelner Gebläse, einer Sauerstoff-Lambdasonde und einer eigens hierfür entwickelten Microprozessorsteuerung, auf welche in der Erfindungsmeldung nicht weiter eingegangen werden soll, wird dies mittels einer besonderen Brennergeometrie ermöglicht.
Denn es gilt grundsätzlich: Es wird immer nur soviel Luft an die Stelle im Brenner eingeblasen, dass diese auch in die Verbrennung einfließen kann. Da sich während der Leistungsmodulation die Abbrandzone vergrößert bzw. verkleinert, ist es notwendig, die Luftströmungen entsprechend automatisch anzupassen. Durch diese neue erfindungsgemäße Lösung ist es nun möglich, einen Kesseltyp mit einem Leistungsbereich von 4–27 kW zu produzieren. Die benötigte Leistung wird je nach Wärmebedarf automatisch von der Mikroprozessorsteuerung ermittelt und an den Brenner weitergegeben. Je nach Leistungsstufe werden dann innerhalb von wenigen Sekunden die Luftverhältnisse und die jeweilige Brennstoffmenge angepasst. Dies sorgt für durchweg höchste Wirkungsgrade und niedrige Abgasemissionen. Das System besteht grundsätzlich aus mehreren automatisch betriebenen Regelventilen, welche einen Öffnungswinkel von von 0–100 % besitzen, oder einzelnen Gebläsen. Durch diese Regelbarkeit ist es möglich, die Luftverhältnisse von außen im Brenner anzupassen. Hierbei wurde ein Brenner mit einer dreistufigen Luftverteilung gewählt. Die Luftströmung, welche über ein drehzahlgeregeltes Gebläse erzeugt wird, wird über den Luftsammelkasten an die einzelnen automatisch betriebenen Regelventile oder direkt über die einzelnen Gebläse erzeugt und übertragen. Je nach Brennerleistung wird der gesamte Luftstrom entsprechend aufgeteilt. Es wird nicht nur die Brennstoffmenge und die Gebläsedrehzahl geregelt, sondern auch die einzelnen Luftverhältnisse im Brenner. Hierdurch wird die Luft weitestgehend immer an die Stelle im Brenner gebracht, wo diese für die Verbrennung direkt benötigt wird. Eine unnötige Lufteinströmung gerade im Primärbereich wird hierdurch wirkungsvoll unterbunden. Durch dieses System wird es möglich, mit nur einer Brennergröße verschiedene Leistungsgrößen effektiv zu verwirklichen.
Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die erfindungsgemäße Lösung näher beschrieben werden.
Hierbei zeigt
1 den Verfahrensablauf mit den zur Erfindung gehörenden gerätetechnischen Einzelheiten als Draufsicht mit der Einheit 1 und dem Brennstoffkessel 6
2a bis c die Beschickung des Rostes 7 als Draufsicht und
2d den Brennermantel S in seiner Außenansicht.
Ausgehend davon, dass sich im Brennstoffkessel 6 als Brenner ein Rost 7, hier mit zwei Luftkammern P.1 und P.2 befindet, ist in 1 in einer Einheit 1 eine Brennstoffzuführeinrichtung in Form einer Förderschnecke eingelassen, welche den festen Brennstoff über einen Brennerflansch 5 als Verbindungsstück auf das im Brennstoffkessel 6 befindliche Rost 7 transportiert. Je nach Anzahl der Luftkammern hier – P.1 und P.2 – ist über eine Steuerung und deren Stellglieder 9 zusätzlich auch die primäre Luftzufuhr 3 direkt unter dem Rost 7, zuzuführen, um somit die primäre Luftzufuhr 3 direkt in die Flamme leiten zu können.
Die sekundäre Luftzufuhr 4 wird in einem doppelwandigen Brennermantel – dem peripheren Teil S – zugeführt.
Gem. 2 in Verbindung mit 1 ist erkennbar, dass das Rost 7 selbst aus mindestens drei Teilen besteht, welches sich wie folgt zusammensetzt: einem zentralen Teil P mit seinen zwei unterteilten Luftkammern P.1 und P.2 und einem Brennermantel S als peripheres Teil. Dem zentralen Teil P des Rostes 7 ist die primäre Luftzufuhr 3 über zwei Stellglieder 9 aufgrund der zwei Luftkammern P.1 und P.2 und dem peripheren Teil S des Rostes 7 ist die sekundäre Luftzufuhr 4 demnach über ein weiteres Stellglied 9 zuzuführen.
Die Durchbrüche 8 im zentralen Teil P des Rostes 7 und dessen Luftkammern P.1; P.2 weisen unterschiedliche Größen derart auf, dass die Durchbrüche 8 von innen nach außen in Richtung des peripheren Teil – dem Brennermantel S – kleiner werdend zu fertigen sind.
Die Durchbrüche 10 in dem peripheren Teil S des Brennermantels S bedürfen keiner besonderen Größe oder Form.
Die 2a bis c sollen nochmals verdeutlichen, mit welcher Menge fester Brennstoffe auf dem Rost 7 und dessen Luftkammern P.1 und P.2 welche Heizleistung zu erreichen ist.
So verdeutlicht 2a, dass mit dieser minimalen Belegung von festen Brennstoffen in einer Luftkammer P.1 des zentralen Teiles P des Rostes 7 eine Heizleistung von ca. 4 bis 8 kW erreicht wird. Erfolgt die Belegung der einen Luftkammer P.1 vollständig mit dem festen Brennstoff, wird eine Heizleistung bei ca. 12 kW erreicht. (2b)
Die Darstellung der 2c zeigt auf, dass mit einer kompletten Belegung von festem Brennstoff beider Luftkammern P.1 und P.2 eine Heizleistung über 27 kW zu erreichen ist.
Gemäß 2d zeigt den Brennermantel S mit seinen Durchbrüchen 10 in Außenansicht.
Die erfindungsgemäße Lösung mit seinen Ausführungsbeispielen soll nochmals die vorteilhafte Verfahrensweise und deren Anordnung verdeutlichen, dass insbesondere mittels der mindestens zwei Luftkammern, in denen unabhängig voneinander die Luft zugeführt werden kann, eine unkontrollierte unerwünschte Luftzufuhr zu unterbinden und die Brennerleistung unterschiedlich zu variieren ist.

1: Einheit
2: Fördereinrichtung
3: primäre Luftzufuhr
4: sekundäre Luftzufuhr
5: Brennerflansch
6: Brennstoffkessel
7: Rost
8: Durchbrüche in P.1 und P.2
9: Stellglieder in 1
10: Durchbrüche in S
P: zentrale Teil von 7
P.1: Luftkammer
P.2: Luftkammer
S: Brennermantel (periphere Teil von 7)

Claims

Verfahren zum Verbrennen fester Brennstoffe in einer einzigen geschlossenen Brennkammer mittels einer primären Luftzufuhr (3) und einer sekundären Luftzufuhr (4), vorzugsweise in einem Leistungsbereich von 4 bis 27 kW, wobei die Brennkammer einen Rost (7) mit einem Brennermantel (S) und mindestens zwei Luftkammern (P.1; P.2) umfasst und wobei die sekundäre Luftzufuhr (4) durch den Brennermantel (S) und dessen Durchbrüche (10) in Richtung auf die Flamme geführt wird und die primäre Luftzufuhr (3) direkt von unterhalb des Rostes (7) vertikal durch den Brennstoff in Richtung der Flamme geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass je nach Leistungsbereich in mindestens zwei Leistungsstufen die den mindestens zwei Luftkammern (P.1; P.2) zugeordneten Teile des Rostes (7) mit einer Menge Brennstoff belegt werden und die primäre Luftzufuhr (3) nur denjenigen Luftkammern (P1; P.2) zugeführt wird, deren zugeordnete Teile des Rostes (7) mit Brennstoff belegt sind, und wobei in jeder Leistungsstufe der Leistungsmodulation in Abhängigkeit von der Brennstoffmenge ein bestimmtes Luftverhältnis zwischen Primär- und Sekundärverbrennungszone eingestellt wird.
Verfahren zum Verbrennen fester Brennstoffe nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Anzahl der primären Luftzuführungen (3) von der Anzahl der Luftkammern (P.1; P.2) abhängig ist.
Verfahren zum Verbrennen fester Brennstoffe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass jede primäre Luftzufuhr (3) und die sekundäre Luftzufuhr (4) voneinander getrennt zu den einzelnen Luftkammern (P.1; P.2) und dem Außenumfang des Brennermantels (S) geführt wird.
Verfahren zum Verbrennen fester Brennstoffe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass jede primäre Luftzufuhr (3) und die sekundäre Luftzufuhr (4) mittels automatisch betriebener Regelventile (9) gesteuert wird.
Verfahren zum Verbrennen fester Brennstoffe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass jede primäre Luftzufuhr (3) und die sekundäre Luftzufuhr (4) mittels Gebläse gesteuert wird.
Vorrichtung zum Verbrennen fester Brennstoffe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5 mittels eines Brenners für einen Brennstoffkessel (6) zur Nutzung in einem Raumofen oder in einer Zentralheizung, vorzugsweise in einem Leistungsbereich von 4 bis 27 kW, bestehend aus einer Einheit (1) mit einer Fördereinrichtung (2) und einer primären (3) und sekundären (4) Luftzufuhr mit automatisch betriebenen Regelventilen (9), einem Brennerflansch (5) als Verbindungsstück zu einem Brennstoffkessel (6) und einem Rost (7) des Brennstoffkessels (6), – wobei das Rost (7) aus einem zentralen Teil (P) mit mindestens zwei unterteilten Luftkammern (P.1; P.2) und einem Brennermantel (S) als peripheres Teil besteht, – wobei entsprechend der Anzahl der Luftkammern (P.1; P.2) für jede primäre Luftzufuhr (3) und für die sekundäre Luftzufuhr (4) jeweils ein automatisch betriebenes Regelventil (9) anzuordnen ist, – wobei der zentrale Teil (P) Durchbrüche (8) aufweist, um die primäre Luftzufuhr (3) zu gewährleisten, – wobei die Durchbrüche (8) im zentralen Teil (P) des Rostes (7) und dessen Luftkammer (P.1) unterschiedliche Größen aufweisen, – wobei der Brennermantel (S) Durchbrüche (10) aufweist, um die sekundäre Luftzufuhr (4) zu gewährleisten, – wobei der Brennermantel (S) die Luftkammern (P.1; P.2) umschließt, – wobei die primäre Luftzufuhr (3) direkt unter dem Rost (7) zuzuführen ist, um die primäre Luftzufuhr (3) direkt in die Flamme zu leiten, und – wobei die sekundäre Luftzufuhr (4) im oberen Bereich des Brennermantels (S) zuzuführen ist.
Vorrichtung zum Verbrennen fester Brennstoffe nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, dass die Durchbrüche (8) des zentralen Teiles (P) des Rostes (7) mit Luftkammern (P.1) und (P.2) von innen nach außen verlaufend kleiner werdend zu fertigen sind.
Vorrichtung zum Verbrennen fester Brennstoffe nach einem der vorangegangenen Ansprüche 6 oder 7, gekennzeichnet dadurch, dass anstelle der Regelventile (9) für jede primäre Luftzufuhr (3) und einer sekundären Luftzufuhr (4) ein eigenes regelbares Gebläse zu fertigen ist.