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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Roststab für einen
Verbrennungsofen mit einem Roststab-Grundkörper und einer
den Roststab-Grundkörper zumindest auf einem im Betrieb
zu einem Brennraum hinweisenden Oberflächenbereich abdeckenden,
hochtemperaturfesten Deckplatte, wobei die Deckplatte von dem Roststab-Grundkörper
durch ein thermisches Isoliermaterial getrennt ist. Darüber
hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines
solchen Roststabes.
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Roststäbe
der eingangs genannten Art werden in Feuerungsrosten für
Verbrennungsöfen, insbesondere in Verbrennungsanlagen für
Festbrennstoffe, eingesetzt. Bei diesen Festbrennstoffen kann es
sich beispielsweise um Abfall, Ersatzbrennstoffe wie z. B. sortierten
und/oder aufbereiteten Abfall, Sekundärbrennstoffe, Biomasse
oder ähnliches handeln. Ein solcher Feuerungsrost besteht üblicherweise
aus einer Rostkonstruktion mit einer Anzahl von dachziegelartig übereinander
angeordneten Roststufen, welche jeweils mehrere parallel nebeneinander gelagerte
Roststäbe aufweisen. Die dachziegelartige Anordnung der
Roststäbe bildet dabei den Rostbelag, auf dem das Brennstoffbett
durch den Brennraum transportiert wird und auf dem die Verbrennung abläuft.
Die Verbrennung wird durch Primärluft, die üblicherweise
u. a. durch Spalten zwischen den Roststäben von unten in
den Brennraum hineingeführt wird, unterhalten. Zur Fortbewegung
des Brennstoffbettes ist der Feuerungsrost häufig so ausgebildet, dass
die Roststäbe jeder zweiten Roststufe in Längsrichtung
der Roststäbe hin- und herbewegbar sind, wogegen die Roststäbe
der übrigen Roststufen festgehalten werden. Durch die zyklische
Hin- und Herbewegung jeder zweiten Roststufe wird das Brennstoffbett
während der Verbrennung auf der dachziegelartigen Rostkonstruktion
schräg nach unten von einem Vorwärmbereich in
einen Hauptverbrennungsbereich und weiter zu einem Nachverbrennungsbereich
transportiert.
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In
einer solchen Verbrennungsanlage entstehen Temperaturen von kontinuierlich
800 bis 1300°C oder kurzzeitig sogar darüber.
Der gesamte vordere Teil der Roststäbe, welche innerhalb
der dachziegelartigen Übereinanderschichtung unter den
Roststäben der darüber liegenden Roststufe hervorragen,
ist folglich großen thermischen Belastungen ausgesetzt. Hinzu
kommen erhebliche mechanische Belastungen durch den Transport des
Brennstoffbettes und die Hin- und Herbewegung jeder zweiten Roststufe. Außerdem
tritt insbesondere in Festbrennstoffverbrennungsanlagen das Problem
auf, dass die Roststäbe chemischen Angriffen ausgesetzt
sind, die aus der speziellen Zusammensetzung des Brennstoffs in diesem
Anwendungsgebiet resultieren.
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Zur
Reduzierung der thermischen Belastungen gibt es verschiedene Möglichkeiten,
die Roststäbe zu kühlen. So gibt es Systeme, die
mit Luftkühlung arbeiten. Hierbei wird Luft, die in der
Regel ohnehin zur Aufrechterhaltung der Verbrennung benötigt
wird, an den Roststäben vorbeigeführt, um diese
abzukühlen. Bei Hochtemperaturanwendungen reicht aber die
Luftkühlung bisher oft nicht aus, um zufriedenstellend
hohe Standzeiten der Roststäbe zu gewährleisten.
Der Austausch von beschädigten Roststäben, der
nur bei einem längeren Stillstand der gesamten Anlage möglich
ist, verursacht wiederum hohe Kosten. Daher werden meist Systeme
eingesetzt, die – ggf. auch zusätzlich – mit
einer Wasserkühlung arbeiten. Solche Systeme sind jedoch
relativ aufwändig, da in den Roststäben Leitungen
eingebracht sein müssen und die Roststäbe jeweils
in einen zu realisierenden Kühlwasserkreislauf integriert
werden müssen. Zudem ist permanent eine einwandfreie Funktion
des kompletten Kühlwasserkreislaufs sicherzustellen und
hierfür entsprechende Sicherheitssysteme einzubauen. Ohne
die vorgesehene Kühlung würden die Standzeiten
der Roststäbe erheblich reduziert.
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Eine
weitere Möglichkeit, die Standzeiten der Roststäbe
zu erhöhen, ist der Aufbau von mehrschichtigen Roststäben
der eingangs genannten Art. Hierzu wird beispielsweise der Roststab-Grundkörper
aus Stahl gefertigt, vorzugsweise als Stahlgussteil. Der im Betrieb
zum Brennraum hin weisende Oberflächenbereich, d. h. die
das Brennstoffbett tragende Seite, wird dann mit einer hochtemperaturfesten
Deckplatte, besonders bevorzugt aus Keramik, abgedeckt. Solche Konstruktionen
mit einem Stahlgrundkörper und einer keramischen Deckplatte
werden beispielsweise in der
EP0 382 045 A2 und der
EP 1 705 425 A1 beschrieben.
Weiterhin wird bereits in der
DE32368 ein
Roststab beschrieben mit einem Grundkörper aus Gusseisen
oder Stahl und einer oberen Schicht aus einem Porzellanmaterial,
wobei die Porzellanplatte und der Roststab-Grundkörper aus
Stahl oder Eisen durch eine dünne Schicht aus einem schlecht
wärmeleitenden Material getrennt sind. Durch eine solche
einfache Isolierschicht kann zwar bereits eine gewisse thermische
Entlastung des Roststab-Grundkörpers erreicht werden. Dennoch reicht
dies bei dem heute üblicherweise erreichten Temperaturbereichen
noch nicht aus, um auch für luftgekühlte Rostsysteme
einen Roststab mit ausreichend hohen Standzeiten zur Verfügung
zu stellen. Daher werden in modernen Festbrennstoffverbrennungsanlagen
dennoch üblicherweise die teureren wassergekühlten
Systeme eingesetzt.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten
Roststab der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zu dessen
Herstellung anzugeben, welcher selbst mit einfacher Luftkühlung
bei ausreichend hohen Standzeiten auch in modernen Hochtemperatur-Festbrennstoffverbrennungsanlagen
einsetzbar ist.
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Diese
Aufgabe wird zum einen durch einen Roststab gemäß Patentanspruch
1 und zum anderen durch ein Verfahren zur Herstellung eines Roststabes
gemäß Patentanspruch 13 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist
also im Roststab-Grundkörper in einer zur Deckplatte weisenden Seite
und/oder in der Deckplatte in der zum Roststab-Grundkörper
weisenden Seite eine Kavität eingebracht, welche zumindest
teilweise mit einem Keramikfaser-Isoliermaterial gefüllt
ist. Dieses Keramikfaser-Isoliermaterial ist einerseits selber hochtemperaturbeständig.
Zum anderen hat es aber eine erheblich höhere Isolierwirkung
als übliche thermische Isoliermaterialien wie beispielsweise
ein Isolierzement. Insbesondere ist durch die Einbringung des Keramikfaser-Isoliermaterials
in eine Kavität gewährleistet, dass das Keramikfaser-Isoliermaterial
einen bestimmten Ausdehnungsraum hat, so dass im Isoliermaterial
immer eine gewisse Menge Luft eingeschlossen ist, welche zu einer
sehr hohen thermischen Isolierung zwischen der Deckplatte und dem Roststab-Grundkörper
beiträgt. Insgesamt ist daher die thermische Belastung
auf den Roststab-Grundkörper selbst bei sehr hohen Brennbetttemperaturen bis
1000°C und höher gegenüber den bekannten Roststäben
deutlich reduziert. So können selbst bei einer einfachen
Luftkühlung auch in solchen Anlagen Roststab-Standzeiten
erreicht werden, wie sie sonst nur mit einer Wasserkühlung
erreichbar sind. Insgesamt sind daher Feuerungsroste, welche mit
den erfindungsgemäßen Roststäben aufgebaut
sind, wirtschaftlicher herstellbar und vor allem im laufenden Betrieb
kostengünstiger als die bisher bekannten Feuerungsroste
mit Wasserkühlung.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung
eines Roststabs wird ein Roststab-Grundkörper erzeugt,
beispielsweise aus Stahlguss gegossen, und zumindest auf einem im
Betrieb zu einem Brennraum hinweisenden Oberflächenbereich
mit einer hochtemperaturfesten Deckplatte abgedeckt. Dabei wird
bei der Herstellung des Roststab-Grundkörpers in den Roststab-Grundkörper
in einer zur Deckplatte weisenden Seite und/oder bei der Herstellung
der Deckplatte in die Deckplatte in einer zum Roststab-Grundkörper
weisenden Seite eine Kavität eingebracht. Diese Kavität
wird dann vor der Zusammenmontage des Roststab- Grundkörpers
und der Deckplatte zumindest teilweise mit einem Keramikfaser-Isoliermaterial
gefüllt.
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Die
abhängigen Ansprüche und die nachfolgende Beschreibung
enthalten besonders vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen
der Erfindung, wobei das erfindungsgemäße Verfahren
auch analog zu den abhängigen Ansprüchen betreffend den
Roststab weitergebildet sein kann und umgekehrt.
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Die
Deckplatte kann grundsätzlich aus verschiedenen hochtemperaturfesten
Materialien hergestellt sein. Vorzugsweise handelt es sich um eine
keramische Deckplatte, da keramische Stoffe nicht nur hochtemperaturfest
sind, sondern zudem auch noch eine hohe Beständigkeit gegen
chemische Belastungen aufweisen. Besonders bevorzugt handelt es
sich hierbei um eine Silizium-Carbid(SiC)-Keramik. Als ganz besonders
geeignet hat sich ein siliziuminfiltriertes reaktionsgebundenes
SiC-Material herausgestellt, das in der Regel eine gute Oxidations-
und Korrosionsbeständigkeit, eine sehr gute Temperaturwechselbeständigkeit
und eine sehr hohe Bruchfestigkeit aufweist.
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Da,
wie bereits oben erwähnt, die Oberfläche des Brennstabs
auch mechanischen Belastungen ausgesetzt ist, sollte die Deckplatte
eine bestimmte Mindestdicke aufweisen. Besonders bevorzugt beträgt
die Dicke der Deckplatte mindestens 5 mm, besonders bevorzugt mindestens
10 mm. Ganz besonders bevorzugt liegt die Dicke zwischen 15 und
35 mm. Wie ebenfalls erwähnt, kann die Kavität
zur Aufnahme des Keramikfaser-Isoliermaterials auch in die Deckplatte
eingebracht sein. Um die Deckplatte aber nicht zu dick ausbilden
zu müssen und dennoch eine möglichst hohe Stabilität
der Deckplatte zu erreichen, befindet sich die Kavität
vorzugsweise zumindest zum überwiegenden Teil oder sogar
ausschließlich im Roststab-Grundkörper. Durch
entsprechende Ausgestaltung der Gussform kann insbesondere bei einer
Herstellung des Roststabs im Stahlgussverfahren eine geeignete Kavität
ohne großen Mehraufwand in den Roststab-Grundkörper
eingebracht werden. Alternativ kann die Kavität oder sogar
der komplette Roststab-Grundkörper auch mit oder in Kombination
mit einem spanabhebenden Verfahren hergestellt werden.
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Als
Keramikfaser-Isoliermaterial kommen verschiedene Stoffe unterschiedlicher
Konsistenz und Ausführung in Frage. Beispielsweise kann
ein lockeres flockenartiges Keramikfaser-Isoliermaterial verwendet
werden. Bevorzugt wird aber ein Isoliermaterial in Form einer Ke ramikfaser-Isoliermatte
eingesetzt. Eine solche Keramikfaser-Isoliermatte lässt sich
einfach verarbeiten, indem sie beispielsweise passend auf die Kavität
zugeschnitten und eingelegt wird. Sie hat zudem eine definierte
Dicke, so dass sich hiermit eine genau definierte Isolationswirkung erreichen
lässt.
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Vorzugsweise
wird ein Keramikfasermaterial eingesetzt, welches als Hauptbestandteile
SiO2 (vorzugsweise > 60
Gew.-%) und CaO (vorzugsweise > 25
Gew.-%) enthält. Zusätzlich kann eine solche Keramikfasermatte
als weitere Komponenten MgO, Al2O3 oder Fe2O3 enthalten, wobei letztere beide Stoffe
vorzugsweise in der Größenordnung von 1 Gew.-%
oder darunter eingesetzt werden und das MgO vorzugsweise in einer
Menge zwischen 2 und 10 Gew.-%. Der durchschnittliche Faserdurchmesser liegt
vorzugsweise zwischen 3 und 3,5 μm. Bevorzugt beträgt
die Wärmeleitfähigkeit bei einer Durchschnittstemperatur
von 800°C nur 0,23 Watt/m K bei einer Dichte von 128 kg/m3.
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In
neben der Kavität befindlichen Flächenbereichen
befindet sich zwischen dem Roststab-Grundkörper und der
Deckplatte bevorzugt eine Isolierzementschicht oder eine Isolierkleberschicht.
Diese ist erheblich dünner als die Schichthöhe
des Keramikfaser-Isoliermaterials bzw. die Tiefe der Kavität.
Durch diese Isolierzementschicht oder Isolierkleberschicht ist dafür
gesorgt, dass auch in den Bereichen, in denen Roststab-Grundkörper
und Deckplatte nicht durch das Keramikfaser-Isoliermaterial getrennt
sind, eine gewisse thermische Isolierung erreicht wird. Außerdem
dient diese Schicht zum Ausgleich kleiner Unebenheiten in der Oberseite
des Roststab-Grundkörpers und der Unterseite der Deckplatte,
um eine sichere Lage der Deckplatte zu gewährleisten und somit
die Bruchfestigkeit zu erhöhen. Vorzugsweise befindet sich
eine solche Isolierzementschicht oder Isolierkleberschicht rings
um die Kavität umlaufend zwischen dem Roststab-Grundkörper
und der Deckplatte. Auf diese Weise ist das Keramikfaser-Isoliermaterial
vollkommen eingeschlossen und gegenüber Einwirkungen vom
Brennraum aus geschützt, vor allem dagegen, dass durch
die Verbrennung verflüssigter Brennstoff und Verbrennungsprodukte,
insbesondere Festbrennstoff, in das Keramikfaser-Isoliermaterial
eindringt und die Isolierwirkung reduziert.
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Damit
die Bereiche neben der Kavität, welche nicht so gut thermisch
isoliert sind wie der Bereich der Kavität, möglichst
klein sind, erstreckt sich die Breite der Kavität vorzugsweise
zumindest über 80% einer Breite der Deckplatte, d. h. die
Roststabbreite. Besonders bevorzugt erstreckt sich die Länge der
Kavität zumindest über 60% einer Länge
der Deckplatte, so dass der Großteil des mit dem Brennbett
in Kontakt stehenden Bereichs der Deckplatte geschützt
wird.
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Vorzugsweise
sind die Tiefe der Kavität und die Schichtdicke des Keramikfaser-Isoliermaterials so
gewählt, dass das Keramikfaser-Isoliermaterial, wenn Roststab-Grundkörper
und Deckplatte zusammenmontiert sind, gar nicht oder maximal um
ein definiertes Maß zwischen dem Roststab-Grundkörper und
der Deckplatte vorgespannt, d. h. zwischen Roststab-Grundkörper
und Deckplatte zusammengedrückt wird. Wenn das Keramikfaser-Isoliermaterial überhaupt
keinem Druck unterliegt, hat es die maximale thermische Isolierwirkung.
Andererseits kann durch eine bestimmte Vorspannung, die allerdings nicht
so stark sein sollte, dass das Isoliermaterial bis zum Anschlag
zusammengedrückt wird, sondern noch ausreichend Luft im
Keramikfaser-Isoliermaterial verbleibt, dafür gesorgt werden,
dass Stöße, die von der Brennraumseite aus auf
die Deckplatte ausgeübt werden, nach unten abgedämpft
werden. Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel entspricht
die Dicke des Keramikfaser-Isoliermaterials exakt der Tiefe der
Kavität zuzüglich einer Dicke der Isolierzement-
oder Isolierkleberschicht oder ist allenfalls minimal größer.
Die Tiefe der Kavität liegt vorzugsweise zwischen 5 mm
und 20 mm, besonders bevorzugt zwischen 8 mm und 15 mm.
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Vorzugsweise
ist die Deckplatte so ausgebildet, dass sie den Roststab-Grundkörper
zum Brennraum hin vollständig abdeckt, ausgehend von einem Fußbereich,
an welchem der Roststab in eingebautem Zustand auf einem Roststab
einer darunter angeordneten Roststufe aufliegt, über eine
Kopf- bzw. Stirnseite bis einschließlich dem dem Brennraum ausgesetzten
Oberseitenbereich des Roststabes. Dabei ist die Deckplatte besonders
bevorzugt zweiteilig mit einer Oberteilplatte und einem Kopfteil
ausgebildet. Die Oberteilplatte und das Kopfteil sind dabei an einer
an der Kopfseite befindlichen, quer zu einer Roststablängsrichtung
verlaufenden Trennstelle bzw. Trennlinie voneinander getrennt. Eine
solche Unterbrechung der Deckplatte an der Kopfseite hat den Vorteil,
dass die mechanischen Belastungen auf die Deckplatte reduziert sind.
Durch die zyklische Hin- und Herbewegung jeder zweiten Roststufe
ist die Deckplatte im Fußbereich einer besonderen mechanischen
Belastung ausgesetzt, wobei ständig eine Kraft auf den
Fußbereich in Längsrichtung des Roststabs ausgeübt
wird. Diese Kraft führt insbesondere zu einem Drehmoment
an der Trennstelle zwischen der Oberseite des Roststabs und der
Kopfseite des Roststabs, so dass es hier leicht zu einem Bruch kommen
könnte. Durch die Trennung der Deckplatte in eine Oberteilplatte
und ein Kopfteil an der Kopfseite wird vermieden, dass ein derartiges
Drehmoment durch die Vorschubbewegung auf die Deckplatte ausgeübt
ist. Die Trennstelle selber ist vorzugsweise gestuft ausgebildet,
d. h. sowohl das Kopfteil als auch die Oberteilplatte weisen passend
zueinander gestufte Enden auf, die ineinander greifen. Dadurch kann durch
die Trennstelle kein flüssiger und/oder feinteiliger Brennstoff
zwischen die Deckplatte und den Roststab-Grundkörper gelangen.
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Ein
solcher zweiteiliger Aufbau der Deckplatte ist grundsätzlich
bei allen Roststäben sinnvoll, die mit einem Roststab-Grundkörper
und einer separaten Deckplatte ausgebildet sind, unabhängig
davon, ob und in welcher Weise sich zwischen beiden eine Isolierschicht
bzw. ein Isoliermaterial befindet. Insofern wird durch diese Idee
auch unabhängig von dem Aufbau der erfindungsgemäßen
Isolierschicht eine erhebliche Verbesserung der Standzeiten derartiger Roststäbe
erzielt. Eine besonders hohe Standzeit lässt sich allerdings
durch die beschriebene Kombination der erfindungsgemäßen
Ausbildung der Isolierung zwischen Deckplatte und Roststab-Grundkörper und
die zweiteilige Ausbildung der Deckplatte erreichen.
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Bei
einem Verfahren zur Herstellung eines solchen Roststabs wird die
Deckplatte bereits bei der Herstellung zweiteilig mit einer Oberteilplatte
und einem Kopfteil hergestellt. Diese Bestandteile werden so am
Roststab-Grundkörper montiert, dass die Oberteilplatte
den Roststab-Grundkörper in einem Oberseitenbereich und
an einer Kopfseite des Roststabs bis zu einer quer zu einer in Roststablängsrichtung
im Kopfbereich verlaufenden Trennstelle abdeckt und das Kopfteil,
ausgehend von dieser Trennstelle, den Roststab-Grundkörper
im weiteren Kopfbereich und einem Fußbereich des Roststabes
abdeckt.
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Für
die Verbindung von Deckplatte und Roststab-Grundkörper
gibt es verschiedene Möglichkeiten. Prinzipiell ist eine
Verschraubung, eine reine Verklebung oder Ähnliches möglich.
Vorzugsweise ist die Deckplatte jedoch mit dem Roststab-Grundkörper formschlüssig
verbunden. Auf weitere mechanische Verbindungsteile wie Schrauben
oder dergleichen kann dann verzichtet werden. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist die Deckplatte mit Roststab-Grundkörper über
eine Nut-Feder-Verbindung bzw. eine Spundverbindung, besonders bevorzugt über
eine Schwalbenschwanzverbindung verbunden.
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Bei
einer besonders bevorzugten Variante sind dabei die Nuten für
die Nut-Feder-Verbindung bzw. Spundverbindung so in einer zur Deckplatte weisenden
Seite im Roststab-Grundkörper und/oder in der zum Roststab-Grundkörper
weisenden Seite in der Deckplatte eingebracht, dass sie sich von
einer ersten Längskante des Roststabs aus quer bis zu einem
Abstand von einer gegenüberliegenden zweiten Längskante
des Roststabs erstrecken. Bei der Montage der Deckplatte auf den
Roststab-Grundkörper werden dann die Federn für
die Verbindung von der ersten Längskante des Roststabs
aus in die Nuten geschoben, d. h. bei einer Spundverbindung, bei
der sich an dem Bauteil, in dem sich nicht die Nuten befinden, die
Federelemente, welche in die Nut eingreifen sollen, direkt angeformt
sind, besteht dann die Möglichkeit, die Deckplatte und
den Roststab-Grundkörper von der ersten Längskante
aus, d. h. quer zu der Längsrichtung im Verlauf der Nuten,
aufeinander aufzuschieben. Da die Roststäbe später
innerhalb des Feuerungsrosts in einem direkten Verbund nebeneinander
liegen, sind die Nuten jeweils durch den unmittelbar an der Öffnung
der Nuten benachbart angeordneten Roststab abgedeckt. Dadurch kann
die Deckplatte nicht wieder seitlich vom Roststab-Grundkörper
herunterrutschen. In gleicher Weise ist es möglich, bei
einer Nut-Feder-Verbindung die separaten Federn von der ersten Längskante
des Roststabs aus in die Nuten einzuschieben.
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Wie
bereits oben erwähnt, werden solche Roststäbe
vorzugsweise in Feuerungsrosten eingesetzt, die eine Anzahl von
dachziegelartig übereinander angeordneten Roststufen aufweisen,
wobei in jeder Roststufe jeweils mehrere Roststäbe parallel
nebeneinander gelagert sind. Insbesondere bei einer Ausgestaltung
der Verbindung zwischen Deckplatte und Roststab-Grundkörper
als Nut-Feder- oder Spundverbindung, bei der sich die Nuten wie
oben beschrieben von einer ersten Längskante des Roststabs
aus in den Roststab-Grundkörper und/oder die Deckplatte
erstrecken, ist eine Roststufe dabei bevorzugt so aufgebaut, dass
sich die Nuten jeweils von der gleichen (ersten) Längskante
des Roststabs aus in den Roststab-Grundkörper und/oder
die Deckplatte hinein erstrecken. Die Roststufe weist dann an dieser
Seite (die in Richtung der besagten ersten Längskante der
Roststäbe liegt) einen ggf. auch dünneren Abschluss-Roststab
mit fest montierter Keramik-Oberfläche auf, welcher die
Nuten in dem vorletzten Roststab zur Seite hin abdeckt. Alternativ
ist es auch möglich, zumindest als letzten Roststab in der
Roststufe einen bezüglich der Nut- und Federausbildung
zur Roststablängsachse seitenverkehrt ausgebildeten Roststab
einzusetzen, dessen Deckplatte nur genau in die entgegengesetzte
Richtung wie bei vorletzten Roststab seitlich heraus geschoben werden
kann. Grundsätzlich können derartige seitenverkehrte
Roststäbe auch an mehreren Stellen in der Roststufe eingesetzt
werden. Z. B. können immer paarweise zwei Roststäbe
mit unterschiedlicher Nutrichtung so nebeneinander gesetzt werden,
dass sie gegenseitig die Bewegung der Deckplatte aus den Nuten blockieren.
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Ein
mit den erfindungsgemäßen Roststäben ausgerüsteter
Feuerungsrost kann prinzipiell in einem Brennraum eines beliebigen
Verbrennungsofens genutzt werden. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung
der erfindungsgemäßen Roststäbe im Bereich
der Festbrennstoffverbrennung, da hier mit sehr hohen Temperaturen
gearbeitet wird und zudem eine besondere Chemiebeständigkeit
gegenüber unbekannten chemischen Verbindungen gegeben sein muss.
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Die
Erfindung wird im Folgenden noch einmal unter Hinweis auf die beigefügten
Figuren anhand eines Ausführungsbeispiels näher
erläutert. Gleiche Bauteile sind in den verschiedenen Figuren jeweils
mit denselben Bezugsziffern versehen. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines
erfindungsgemäßen Roststabs von schräg
oben,
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2 eine
perspektivische Explosionsdarstellung des Roststabs gemäß 1 von
schräg oben,
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3 eine
perspektivische Explosionsdarstellung des Roststabs gemäß 1 von
schräg unten,
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4 eine
Draufsicht auf den Roststab gemäß 1 mit
Teilschnitt,
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5 ein
Längsschnitt durch den Roststab gemäß 1 entlang
der in 4 gezeigten Schnittlinie A-A,
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6 eine
perspektivische Darstellung dreier Roststufen eines Feuerungsrostes,
welche aus Roststäben gemäß der 1 aufgebaut
sind,
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7 eine
vereinfachte Schnittdarstellung durch eine Festbrennstoffverbrennungsanlage
mit einem Feuerungsrost, welcher aus Roststufen gemäß 6 aufgebaut
ist.
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Im
Folgenden wird – ohne Beschränkung der Allgemeinheit
davon ausgegangen, dass der in den 1 bis 5 dargestellte
Roststab innerhalb einer Festbrennstoffverbrennungsanlage eingesetzt
wird.
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Dieser
Roststab weist einen einteiligen Roststab-Grundkörper 2 aus
Stahlguss auf, der sich in einer Längsrichtung R (siehe 1)
erstreckt. Der Roststab-Grundkörper 2 kann im
Wesentlichen in zwei Abschnitte, einen Vorderabschnitt 2a und
einen Halteabschnitt 2b, unterteilt werden.
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Der
Halteabschnitt 2b befindet sich dabei in Längsrichtung
an einem der Kopfseite 1K bzw. Stirnseite des Roststabs 1 gegenüberliegenden
Ende und ist mit zwei Haken 11 ausgebildet. Wie die perspektivische
Darstellung eines Ausschnitts von drei Roststufen 51, 52, 53 eines
fertigen Feuerungsrosts 50 in 6 zeigt,
ist dieser Halteabschnitt 2b nicht dem Brennraum ausgesetzt,
da der hinterer Bereich eines Roststabes 1 in einer Roststufe 52, 53 jeweils
durch die Roststäbe 1 der darüber liegenden
Roststufe 51, 52 abgedeckt ist.
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Nur
der Vorderabschnitt 2a ragt jeweils unter dem darüber
liegenden Roststab 1 hervor. Daher wird dieser Bereich
vollständig durch eine Deckplatte 30 aus keramischem
Material abgedeckt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
handelt es sich um eine SiC-Keramik, da dieses eine besonders gute Temperaturfestigkeit,
eine hohe mechanische Stabilität und zudem eine relativ
hohe Unempfindlichkeit gegen chemische Einwirkungen aufweist. Es
handelt sich hierbei um ein siliziuminfiltriertes reaktionsgebundenes
SiC, welches zu 88 Gew.-% aus SiC besteht und 11 Gew.-% freies Silizium
aufweist, das in das SiC einfiltriert ist.
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Da
die Roststäbe 1 in jeder der Roststufen 51, 52, 53 nebeneinander
dicht an dicht gepackt sind, ist somit der gesamte direkt dem verbrennenden Brennstoffbett
ausgesetzte Teil des Roststabes 1 durch die keramische
Deckplatte 30 geschützt.
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Wie
in 6 weiterhin schematisch dargestellt ist, sind
die einzelnen Roststäbe einer Roststufe 51, 52, 53 jeweils
gemeinsam mit den Haken 11 des Halteabschnitts 2B des
Roststab-Grundkörpers 2 an einer senkrecht zur
Längsrichtung R der Roststäbe 1 verlaufenden
Lagerstange 54 bzw. einem entsprechenden Lagerstange gelagert.
Durch quer zur Längsrichtung R verlaufende Löcher 12 in
den Haken 11 können benachbarte Roststäbe 1 miteinander
verschraubt werden, so dass die gesamten Roststäbe einer
Roststufe 51, 52, 53 einen festen Verbund
bilden, der auf der jeweiligen Lagerstange 54 gelagert ist.
Jede zweite Lagerstange 54, hier die Lagerstange 54 der
mittleren Roststufe 52, ist mit einer Mechanik (nicht dargestellt)
gekoppelt, über die die Lagerstange 54 in einer
Bewegungsrichtung B parallel zur Roststab längsrichtung
R hin- und herbewegt werden kann, so dass die gesamte Roststufe 52 in
der Bewegungsrichtung B hin- und hergeschoben wird. Auf diese Weise
wird das Brennstoffbett schräg nach unten von Roststufe
zu Roststufe weitertransportiert. Diese Bewegung jeder zweiten Roststufe 52 führt
zusätzlich zu einer mechanischen Belastung, da jeweils die
Roststäbe einer darüber liegenden Roststufe mit einem
vorderen Fußbereich 1F (siehe 1)
auf dem Oberseitenbereich 1S der darunter liegenden Roststufe
hin- und herrutschen. Aus diesem Grund ist die keramische Deckplatte 30 so
ausgebildet, dass sie auch um die Kopfseite 1K des Roststabs 1 vollständig
herumgeführt wird und den Fußbereich 1F mit
abdeckt.
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Die
Roststäbe 1, d. h. sowohl der Roststab-Grundkörper 2 als
auch die Deckplatte 30 jedes Roststabs 1, sind
im Bereich des Vorderabschnitts 2a von oben gesehen nicht
ganz rechteckig ausgeführt, sondern weisen jeweils auf
einer Längsseite eine Einbuchtung 10 auf. Diese
Einbuchtungen 10 bilden jeweils die Lüftungsschlitze
zwischen den Roststäben 1, durch die von unten
in den Feuerungsrost Luft eingeblasen werden kann, um zum einen
den Verbrennungsprozess aufrechtzuerhalten und zum anderen die Roststäbe
durch die eingebrachte Luft zu kühlen.
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Erfindungsgemäß ist,
wie in 2 besonders gut zu erkennen ist, in der Oberseite
des Vorderabschnitts 2a des Roststab-Grundkörpers 2,
welcher durch die Deckplatte 30 abgedeckt wird, eine größere durchgehende
Kavität 3 eingebracht. Diese Kavität 3 erstreckt
sich über den größten Teil der Oberfläche des
Vorderabschnitts 2a.
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In
diese Kavität 3 wird vor der Abdeckung mit der
keramischen Deckplatte 30 eine Keramikfaser-Isoliermatte 20 eingebracht.
Diese kann problemlos bei Durchschnittstemperaturen von 800 bis 1000°C
verwendet werden und ist kurzfristig sogar bei Temperaturen bis
zu 1200°C einsetzbar.
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Der
gesamte weitere Oberflächenbereich um die Kavität 3 herum,
d. h. die seitlich am Roststab-Grundkörper 2 stehen
bleibenden Stege und sämtliche weiten Bereiche des Roststab-Grundkörpers 2,
auf denen die Keramikdeckplatte 30 direkt aufliegen würde,
werden mit einer sehr dünnen Isolierzementschicht 21 versehen,
welche dazu dient, Unebenheiten auszugleichen. Durch die Isoliermatte 20 und
die Schicht aus Isolierzement 21 ist dafür gesorgt,
dass der Roststab-Grundkörper 2 aus Stahlguss
gegenüber der hochtemperaturfesten Deckplatte 30 aus
keramischem Material sehr gut thermisch isoliert ist. Der Roststab-Grundkörper 2 braucht
daher nur einen Bruchteil der thermischen Belastung aufzunehmen,
die auf der keramischen Deckplatte 30 des Roststabs 1 wirkt.
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Die
Abmessungen der Kavität 3 sind vorzugsweise so
gewählt, dass die Breite bK der
Kavität 3 mindestens 90% der Gesamtbreite b des
Roststabs 1 und die Länge lK der
Kavität 3 mindestens 70% der Länge l
der Deckplatte 30 entspricht, berechnet von der Kopfseite 1K des
Roststabs 1 bis zum rückseitigen Ende der Deckplatte 30,
an dem dieses an den Halteabschnitt 2b des Roststab-Grundkörpers 2 angrenzt.
Das heißt, bei einer Abmessung der Deckplatte mit einer
Länge l von 560 mm beträgt die Länge
lK der Kavität vorzugsweise 392
mm und bei einer Breite b des Roststabs 1 von 140 mm beträgt
die Breite bK der Kavität ca. 126
mm. Die Größe der Kavität 3 wird
also vorzugsweise so gewählt, dass die zur Verfügung
stehende Oberfläche in dem Roststab-Grundkörper 2 möglichst
gut ausgenutzt wird und die umlaufenden Wandungen um die Kavität 3 möglichst
dünn sind, da ja im Bereich dieser verbleibenden „Stege” auch
bei einem Einsatz des Isolierzements nur eine geringere thermische
Isolierwirkung erreicht werden kann als im Bereich der Kavität 3,
in der die Keramikfaser-Isoliermatte 20 eingelegt wird.
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Die
Dicke d der Keramikfaser-Isoliermatte 20 ist so gewählt,
dass sie möglichst genau der Tiefe t (siehe 5)
der Kavität 3 zuzüglich der Schichtdicke
des Isolierzements 21 entspricht. Die Kavität 3 ist dann
vollständig ausgefüllt und die Isoliermatte 20 wird
zwischen der keramischen Deckplatte 30 und dem Roststab-Grundkörper 2 gar
nicht oder allenfalls minimal zusammengedrückt, so dass
sie die maximale thermische Isolierwirkung entfalten kann.
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Die
Deckplatte 30 ist hier zweiteilig ausgebildet, mit einer
Oberteilplatte 30a, welche den Vorderabschnitt 2a des
Roststab-Grundkörpers 2 im Oberseitenbereich 1S des
Roststabs 1 sowie den oberen Teil der Kopfseite 1K des
Roststabs 1 abdeckt, und einem separaten Kopfteil 30b,
welches den unteren Bereich der Kopfseite 1K des Roststabs 1 abdeckt und
sich untenseitig über den Fußbereich 1F des Roststabes 1 erstreckt.
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Die
Trennstelle 39 zwischen den beiden Teilen 30a, 30b der
Deckplatte 30 verläuft mitten auf der Kopfseite 1K des
Roststabs 1. Die Grenzflächen 31, 32 der
Oberteilplatte 30a, und des Kopfteils 30b der Deckplatte 30 sind
jeweils zueinander korrespondierend gestuft ausgebildet, so dass
die Trennstelle 39 im Querschnitt betrachtet in Roststablängsrichtung
R entsprechend gestuft verläuft (siehe 5).
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Die
Aufteilung der keramischen Deckplatte 30 in eine Oberteilplatte 30a und
ein Kopfteil 30b hat den Vorteil, dass Reibungskräfte
FR, die an der Vorderkante im Fußbereich 1F auf
die Deckplatte 30 wirken, nicht dazu führen können,
dass im Bereich der Übergangskante von der Oberseite 1S zur
Kopfseite 1K des Roststabs 1 ein zu großes
mechanisches Drehmoment M auf die Deckplatte 30 einwirken kann.
Wie in 5 gezeigt, würde dieses durch die Kraft
FR verursachte Drehmoment M im Bereich der oberen
vorderen Kante des Roststabs 1 M = FR × (h1 +
h2)betragen, wobei h1 die
Höhe von der Fußkante bis zur Trennstelle 39 zwischen
Kopfteil 30b und Oberteilplatte 30a der Deckplatte 30 ist
und h2 der Abstand von dieser Trennstelle 39 bis
zu der besagten Position an der oberen Vorderkante der Deckplatte 30,
an der das Drehmoment auf die Deckplatte einwirken würde
und dort zu einem Bruch führen könnte.
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Stattdessen
wirkt durch die Teilung der Deckplatte 30 an der Trennstelle 39 nur
noch ein Drehmoment M = FR × h1 auf das Kopfteil 30b selber
ein, da die Oberteilplatte 30a und das Kopfteil 30b so
ausgebildet sind, dass an der Trennstelle 39 ein gewisses
Spiel verbleibt. Dies ist durch die oben beschriebene stufige Ausbildung
der Grenzflächen 31, 32 möglich,
ohne dass der Roststab-Grundkörper 2 an dieser
Stelle frei liegt, so dass dafür gesorgt ist, dass die
Trennstelle relativ dicht gegenüber möglicherweise
eindringenden flüssigen und/oder feinteiligen Brennstoff
ist. Das Drehmoment hat also keinerlei Auswirkungen auf die obere
Vorderkante der Deckplatte 30, d. h. die mechanischen Belastungen
durch die ständigen Bewegungen jeder zweiten Roststufe 52 führen
nicht zu einer erhöhten Bruchgefahr in der Keramikdeckplatte 30 und
verringern nicht die Standzeit des Roststabs 1.
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Die
Verbindung der keramischen Deckplatte 30 mit dem Roststab-Grundkörper 2 erfolgt
bei dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel rein durch
Formschluss, nämlich durch eine sogenannte Spundverbindung,
d. h. eine Nut- und Federverbindung, wobei in einem der beiden zu
verbindenden Bauteile, hier in den Roststab-Grundkörper 2,
Nuten 4, 6, 7, 8 eingebracht
sind und die hierzu passenden Federn unmittelbar am anderen zu verbindenden Bauteil,
hier an der keramischen Deckplatte 30, angeformt sind.
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Der
Roststab-Grundkörper 2 weist hierfür insgesamt
vier Nuten 4, 6, 7, 8 auf. Eine
erste Nut 4 erstreckt sich parallel zur Oberfläche
des Roststab-Grundkörpers 2 nach hinten in den
Halteabschnitt 2b, so dass oberhalb dieser Nut 4 im
Halteabschnitt 2b eine Art Nase 5 ausgebildet
ist. Dementsprechend ist an der keramischen Deckplatte 30 bzw. deren
Oberteilplatte 30a an dem von der Kopfseite 1K des
Roststabs 1 wegweisenden Ende eine Feder 37 angeformt,
welche sich parallel zur Oberfläche der Oberteilplatte 30a erstreckt.
Diese Feder 37 kann bei der Montage in die Nut 4 unter
der Nase 5 im Halteabschnitt 2b eingeschoben werden.
Eine weitere Nut 6 befindet sich im Vorderabschnitt 2a des
Roststab-Grundkörpers 2 zwischen der Stirnseite
des Roststab-Grundkörpers 2 und der Ausnehmung 3. Dementsprechend
weist die Oberteilplatte 30a hier auf der zum Roststab-Grundkörper 2 verweisenden Unterseite
eine angeformte Feder 38 auf, welche in diese Nut 6 eingreift.
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Im
Grundkörper 2 befindet sich zudem in der Kopfseite 1K eine
größere Nut 7, in welche entsprechende
Federn 33, 34 eingreifen, welche sich am kopfseitigen
Ende der Oberteilplatte 30a und dem Kopfteil 30b nach
innen zum Roststab-Grundkörper 2 hin erstrecken.
Das heißt, die hier eingreifende Feder an der keramischen
Deckplatte 30 ist an der Trennstelle 39 in zwei
Teilfedern 33, 34 aufgeteilt, wobei eine Teilfeder 33 an
der Oberteilplatte 30a und die zweite Teilfeder 34 am
Kopfteil 30b der Deckplatte 30 angeordnet ist.
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Außerdem
befindet sich im Roststab-Grundkörper 2 an der
Unterseite im Fußbereich 1F eine weitere Nut 8,
in welche eine Feder 40 eingreift, die am fußseitigen
Ende des Kopfteils 30b der keramischen Deckplatte 30 angebracht
ist und sich vom Fußbereich aus nach oben erstreckt.
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Die
Nuten 4, 6, 7 und 8 sowie die
entsprechenden Federn 37, 38, 33, 34 und 40 sind
vorzugsweise im Querschnitt leicht zum Nutgrund hin sich erweiternd,
trapezförmig ausgebildet, so dass hierdurch eine schwalbenschwanzartige
Verbindung gegeben ist, um für einen sicheren Halt zu sorgen.
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Die
Nut 4 im Halteabschnitt 2b, die Nut 6 in der
Oberseite des Vorderabschnitts 2a und die Nut 8 im
Fußbereich des Roststab-Grundkörpers 2 verlaufen
jeweils von einer ersten Längskante 1L aus in den
Roststab-Grundkörper 2 hinein und enden in einem
Abstand s von der gegenüberliegenden zweiten Längskante 1G des
Roststabs 1 (siehe insbesondere in 4). Der
Abstand s beträgt vorzugsweise 10 bis 30 mm. Das heißt,
die Nuten 4, 6, 8 verlaufen nicht vollständig
von einer zur anderen Seite quer durch den Grundköper 2 hindurch.
Entsprechend sind die an der Deckplatte 30 angeformten
Federn 37, 38, 40 kürzer ausgebildet.
Diese Ausbildung der Nuten und Federn hat den Vorteil, dass die
Oberteilplatte 30a und das Kopfteil 30b nur von
der ersten Längsseite 1L aus auf den Roststab-Grundkörper 2 geschoben werden
können. Liegt dann später im Verbund innerhalb
einer Roststufe 51, 52, 53 (siehe 6)
an dieser ersten Längskante 1L ein benachbarter
Roststab an, so kann die zweiteilige Deckplatte 30 nicht
mehr in diese Richtung aus den Nuten herausrutschen und ist sicher
fixiert, ohne dass weitere Haltemittel benötigt werden.
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Um
zu verhindern, dass sich in einer Roststufe 51, 52, 53 an
dem Roststab 1, der in Richtung der ersten Längsseite 1L der
Roststäbe 1 weisenden Seite als letztes in der
Roststufe 51, 52, 53 angeordnet ist,
die Deckplatte 30 durch seitliches Herausrutschen aus den
Nuten vom Roststab-Grundkörper 2 lösen
kann, befindet sich in jeder Roststufe an dieser Seite eine dünnere
Roststab-Abschlussplatte 35.
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Ein
aus solchen Roststufen 51, 52, 53 mit den
erfindungsgemäßen Roststäben 1 aufgebauter Feuerungsrost
kann dann, wie in 7 dargestellt, in einer Festbrennstoffverbrennungsanlage 60 eingesetzt
werden. Dabei befindet sich der Feuerungsrost 50 unten
im Brennraum 62. Diesem Brennraum 62 wird über
einen Zuführschacht 61 der zu verbrennende Festbrennstoff
ständig zugeführt. Während der Verbrennung
wird das Brennstoffbett im Brennraum 62 kontinuierlich über
dem Feuerungsrost 50 durch die Vorschubbewegungen jeder
zweiten Roststufe schräg nach unten transportiert. Der
obere zum Zuführschacht 61 weisende Bereich auf
dem Feuerungsrost 50 ist dabei eine Trockungs- und Entgasungszone,
im mittleren Bereich findet die Hauptverbrennung statt und im unteren
Bereich die Nachverbrennung.
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Unterhalb
des Feuerungsrosts 50 sind trichterartige Aschesammler 66 angeordnet,
welche die bei der Verbrennung entstehende Asche, die u. a. durch
die Luftschlitze zwischen den Roststäben herunterfällt,
aufsammeln und anschließenden Fördereinrichtungen 67 zuführen.
Am unteren Ende des Feuerungsrosts befindet sich eine Schlackefördereinrichtung 69.
Die Asche und Schlacke werden mit geeigneten Einrichtungen weiter
entsorgt, die hier nicht im Detail dargestellt sind. Oberhalb des
Brennraums 62 befinden sich Kesselzüge, durch
den das Rauchgas geführt wird, damit es seine Energie an
die Heizflächen der Kesselzüge abgibt. Anschließend wird
das abgekühlte Rauchgas durch eine nur grob schematisch
dargestellte Filteranlage 64 geleitet und die gefilterten
Rauchgase gelangen dann über einen Auslass 65 aus
der Festbrennstoffverbrennungsanlage 60. Es wird ausdrücklich
darauf hingewiesen, dass die Festbrennstoffverbrennungsanlage in 7 nur
sehr grob schematisch dargestellt ist, da der Aufbau solcher Festbrennstoffverbrennungsanlagen vom
Prinzip her dem Fachmann bekannt ist und die weiteren Komponenten,
insbesondere die Einrichtungen zur Sammlung und Entsorgung der Asche
und Schlacke, zur Filterung der Rauchgase und zur Aufgabe des Brennstoffs
in die Verbrennungsanlage, für die Erfindung nicht wesentlich
sind.
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Es
wird abschließend auch noch einmal darauf hingewiesen,
dass es sich bei den vorhergehend beschriebenen Roststäben
und Roststabstufen bzw. dem Feuerungsrost und der Verbrennungsanlage
lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann
in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne
den Bereich der Erfindung zu verlassen.
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Da
die Roststäbe selbst mit einfacher Luftkühlung
Standzeiten erreichen, wie sie sonst nur mit Wasserkühlung
erreicht werden, werden sie vorzugsweise zum Aufbau von luftgekühlten
Feuerungsrosten eingesetzt, um z. B. wassergekühlte Roststäbe zu
ersetzen, wie dies vorstehend erläutert wurde. Dies schließt
aber nicht aus, dass die Erfindung auch im Rahmen von wassergekühlten
Roststäben zusätzlich genutzt werden kann, um
die Standzeiten noch weiter zu erhöhen oder um die Feuerungsroste für
noch höhere Temperaturanwendungen zu konstruieren.
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Weiterhin
schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein” bzw. „eine” nicht
aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein
können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0382045
A2 [0005]
- - EP 1705425 A1 [0005]
- - DE 32368 [0005]