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Die Erfindung betrifft eine Sekundärbrennkammer für eine Biomasseverbrennungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Eine Biomasseverbrennungseinrichtung weist zunächst einmal eine Primärbrennkammer auf. In dieser wird Biomasse, z. B. Pellets oder Scheitholz, und Primärluft eingebracht und wenigstens beim Verbrennungsstart erfolgt eine Zündung. Vor allem bei einem solchen Verbrennungsstart und einem Stopp der Verbrennung (Brennerstart, Brennerstopp) werden bei der Biomasseverbrennung sehr viele anorganische Partikel freigesetzt, so zum Beispiel K2O, CaO, K2SO4, K2CO3. Aber auch während einer länger andauernden Verbrennung ist der Anteil anorganischer Partikel in einem aus der Primärbrennkammer austretenden Verbrennungsgasstrom höher als bei einer Gas- oder Ölverbrennung. Zur Reinigung und zum vollständigen Ausbrand des Verbrennungsgasstroms kommen unter anderem Sekundärbrennkammern zum Einsatz.
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Der aus der Primärbrennkammer austretende heiße Verbrennungsgasstrom wird in eine solche Sekundärbrennkammer eingeleitet. Zusätzlich wird der Sekundärbrennkammer Sekundärluft zugeführt, um den Verbrennungsgasstrom nachzuverbrennen und so die Partikelanzahl zu verringern. Eine Zündung ist üblicherweise nicht notwendig, da der Verbrennungsgasstrom so heiß ist, dass sich dieser bei einer Zuführung von Sauerstoff selbst entzündet. Um eine gute Nachverbrennung zu erreichen, ist es deshalb notwendig, die Luft und somit den Sauerstoff gut mit dem Verbrennungsgasstrom zu durchmischen.
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Hierfür sieht der Stand der Technik unter anderem rohrförmige Sekundärbrennkammern vor, in welche die Sekundärluft tangential eingeleitet wird. Dies wird beispielsweise in
DE 40 21 005 C1 beschrieben. Der Verbrennungsgasstrom wird hier axial in die Sekundärbrennkammer eingeleitet. Durch die tangentiale Einleitung der Sekundärluft entsteht ein Gaswirbel in der Sekundärbrennkammer, weswegen solche Sekundärbrennkammern auch als Zyklonbrennkammern bezeichnet werden. Dieser Gaswirbel soll den Verbrennungsgasstrom mit der Sekundärluft durchmischen. Nachteilig ist jedoch, dass sich unter anderem eine axiale Kernströmung im Zentrum des Wirbels ausbildet, in welche keine Sekundärluft gelangt. Der Anteil des Verbrennungsgasstroms in der Kernströmung wird somit nicht nachverbrannt und die unverbrannten Partikel belasten die Umwelt.
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Ziel der Erfindung ist es deshalb, eine Sekundärbrennkammer zu schaffen, die eine verbesserte Durchmischung eines Verbrennungsgasstroms mit Sekundärluft ermöglicht, um eine optimierte Nachverbrennung, insbesondere in einer Biomasseverbrennungseinrichtung, zu erreichen. Für die Durchmischung sollte hierbei möglichst wenig Energie aufgewendet werden und zusätzlich sollte die Sekundärbrennkammer einfach aufgebaut, sicher im Betrieb und wartungsarm sein, sowie geringe Herstellkosten haben.
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Erfindungsgemäß wird dies mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung betrifft eine Sekundärbrennkammer für eine Biomasseverbrennungseinrichtung mit einer rotationssymmetrisch um eine Längsachse ausgebildeten Trichterform, die sich kontinuierlich von Trichtereingang zu Trichterausgang verjüngt, wobei am Trichtereingang Eintrittskanäle für Verbrennungsgas und Sekundärluft mit unterschiedlichen und nicht parallel zur Längsachse ausgerichteten Einströmrichtungen angeordnet sind.
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Die kontinuierliche Verjüngung vom Trichtereingang zum Trichterausgang kann hierbei linear oder nicht-linear sein. Besonders zu bevorzugen ist dabei eine Trichterform mit einer Laualdüsen-Kontur. Die nicht parallele Ausrichtung der Einströmrichtungen führt zu einer Zirkulation des Verbrennungsgases und der Sekundärluft um die Längsachse der Trichterform. Mit fortschreitender Bewegung des Gasgemischs in Richtung des Trichterausgangs verjüngt sich der Querschnitt der Sekundärbrennkammer. Hierdurch erhöht sich zum Einen die Geschwindigkeit des Gasgemischs in Richtung des Trichterausgangs. Zum Anderen steigt hierdurch die Rotationsgeschwindigkeit des Gasgemischs um die Längsachse erheblich. Hierdurch vermischt sich das Verbrennungsgas besonders intensiv mit Sekundärluft. In der Folge verbrennen in der Sekundärbrennkammer besonders viele Partikel des Verbrennungsgases, wodurch anschließend in die Umwelt abgegebene Verbrennungsgase besonders schadstoffarm sind und geringe Kohlenmonoxidemissionen (CO) aufweisen. Somit können insbesondere Biomasseverbrennungseinrichtungen besonders umweltfreundlich betrieben werden.
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Weiterhin ist es möglich, die Durchmischung mit sehr geringem Energieaufwand zu realisieren. Bei einer vertikalen Ausrichtung des Trichters steigen die heißen Verbrennungsgase nach oben und können ohne zusätzliche Energie in den Trichter eingeleitet werden. Die Sekundärluft kann entweder mittels eines Diffusors vom Verbrennungsgas angesaugt werden, wofür dann vorzugsweise eine Luftdrossel mit Luftmassenmessung vorzusehen ist, oder aber es kann eine kleine Luftfördervorrichtung, zum Beispiel ein Gebläse, eingesetzt werden. Auf beide Weisen ist es möglich, dem Verbrennungsgas die optimale Menge an Sekundärluft zuzuführen, um eine vollständige Nachverbrennung zu erreichen. Durch den unkomplizierten Aufbau ist eine solche Sekundärbrennkammer sicher im Betrieb und es bedarf nahezu keiner Wartung. Die Kosten der Herstellung sind ebenfalls gering.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Durchmesser des Trichtereingangs wenigstens doppelt so groß und höchstens zehnfach so groß wie der Durchmesser des Trichterausgangs ist. In dieser Spanne der Durchmesserverhältnisse werden die größtmöglichen Verbesserungen der Durchmischung des Verbrennungsgases und der Sekundärluft in der Sekundärbrennkammer erreicht. Somit kann hier auch eine bestmögliche Verbrennung mit geringen CO-Emissionen realisiert werden.
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Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die Einströmrichtung des ersten Eintrittskanals und/oder die Einströmrichtung des zweiten Eintrittskanals nahezu senkrecht zur Längsachse ausgerichtet sind. Unter nahezu soll eine maximale Abweichung von 20° zu einer senkrecht zu Längsachse angeordneten imaginären Ebene verstanden werden. Hierdurch ist bei einer geringen Eindüsungsgeschwindigkeit der Sekundärluft bereits eine hohe Rotationsgeschwindigkeit am Trichtereingang erzielbar. Ein für die Eindüsung eingesetzter Strömungserzeuger, z. B. ein Gebläse, würde somit nur wenig Strom verbrauchen.
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Besonders bevorzugt ist der erste Eintrittskanal versetzt um einen Winkel von 90° bis 180° um die Längsachse zum zweiten Eintrittskanal angeordnet. Somit werden das Verbrennungsgas und die Sekundärluft nicht gleichgerichtet parallel zueinander eingeleitet und es kommt unmittelbar nach dem Einleiten zu Turbulenzen und Vermischungen. Schon am Trichtereingang verbessern sich so die Durchmischung und die Nachverbrennung des Verbrennungsgases. Insbesondere sollte hierfür eine Scherung zwischen dem Verbrennungsgas und der Sekundärluft erfolgen.
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Hierzu trägt eine Variante bei, bei welcher die Eintrittskanäle über Eintrittsöffnungen in den Trichtereingang münden, wobei beide Eintrittsöffnungen von einer imaginären Ebene senkrecht zur Längsachse schneidbar sind. Somit werden das Verbrennungsgas und die Sekundärluft auf derselben „Höhe” relativ zur Trichterlängsachse eingeleitet und die beiden Ströme können zum Beispiel kollidierend zueinander ausgerichtet werden. Hierdurch kommt es an der Kollisionsstelle zu einer Scherung zwischen den beiden Strömen, wodurch eine besonders gute Durchmischung bereits am Trichtereingang erzielbar ist.
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Ergänzend besteht die Möglichkeit, dass die Einströmrichtung des ersten Eintrittskanals im Schwerpunkt des Massenstroms des Verbrennungsgases und die Einströmrichtung des zweiten Eintrittskanals im Schwerpunkt des Massenstroms der Sekundärluft ansetzen und wenigstens eine der Einströmrichtungen exzentrisch mit einem Exzenterabstand zur Längsachse ausgerichtet ist. Alternativ können auch beide Einströmrichtungen exzentrisch mit Exzenterabständen zur Längsachse ausgerichtet sein, wobei die Einströmrichtungen beide im Uhrzeigersinn oder beide gegen den Uhrzeigersinn um die Längsachse ausgerichtet (geneigt) sind. Diese Ausrichtungen erlauben eine Erzeugung eines Dralls der Sekundärluft und des Verbrennungsgases um die Längsachse, der sich anschließend in der trichterförmigen Sekundärbrennkammer fortsetzen und verstärken kann. Zu bevorzugen ist eine Summe der beiden Exzenterabstände von 0,1 bis 0,5 des Durchmessers des Trichtereingangs. In diesem Bereich wird ein guter Drall am Trichtereingang erzeugt und der Entstehung einer Kernströmung wirksam entgegengetreten.
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Dabei ist es besonders zu bevorzugen, wenn der Exzenterabstand der Einströmrichtung des ersten Eintrittskanals zur Längsachse und/oder der Exzenterabstand der Einströmrichtung des zweiten Eintrittskanals zur Längsachse wenigstens so groß ist wie ein Achtel des Durchmessers des Trichtereingangs. Ab einem solchen minimalen Exzenterabstand wird ein besonders hoher Drall am Trichtereingang erzeugt. Dies verbessert die Nachverbrennung in der Sekundärbrennkammer.
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Weiterhin sollte der erste Eintrittskanal nicht tangential in den Trichtereingang münden und/oder der zweite Eintrittskanal nicht tangential in den Trichtereingang münden. Durch die nicht-tangentiale Einleitung des Verbrennungsgases und/oder der Sekundärluft wird eine verbesserte Durchmischung erreicht. Außerdem wird vermieden, dass sich eine Kernströmung in der Sekundärbrennkammer ausbildet, in welcher das Verbrennungsgas unzureichend mit Sekundärluft durchmischt wird. Eine solche Kernströmung setzt sich zwar zumeist nicht durch die gesamte Trichterform fort, je früher und besser die Durchmischung jedoch schon auf der Trichtereingangsseite erfolgt, desto besser ist die Nachverbrennung. Je schneller die Nachverbrennung abgeschlossen ist, desto kleiner kann zudem die Sekundärbrennkammer ausgelegt werden. Dementsprechend sind die Material- und Herstellkosten geringer.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung bilden imaginäre lineare Fortsätze der Eintrittskanäle ein Schnittvolumen innerhalb der Sekundärbrennkammer aus. Hierdurch kollidieren das Verbrennungsgas und die Sekundärluft kurz nach der Einleitung in die Sekundärbrennkammer und vermischen sich sofort. Sofern die Ströme nicht frontal aufeinanderprallen, kommt es auch zu einer Scherung zwischen den beiden Strömen. Bei einer Scherung werden Wirbel ausgebildet, die wiederum die Durchmischung des Verbrennungsgases mit der Sekundärluft verbessern. Vorzugsweise erfolgt die Scherung dabei nicht nur durch unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten, sondern insbesondere durch gegenläufige Strömungsrichtungen.
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Zu einer optimalen Nachverbrennung kann insbesondere auch eine Gestaltung beitragen, bei der die Längsachse wenigstens einen der imaginären Fortsätze schneidet. Dies vermeidet unmittelbar nach der Einleitung der Verbrennungsluft und der Sekundärluft eine Ausbildung einer Kernströmung im Zentrum der Sekundärbrennkammer und trägt zu einer emissionsarmen Nachverbrennung bei.
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Durch eine Beachtung von Größenverhältnissen können weitere Verbesserungen der Nachverbrennung erzielt werden. Insbesondere sollten die Eintrittskanäle Höhen in Richtung der Längsachse der Sekundärbrennkammer aufweisen, welche wenigstens das 0,25-fache und höchstens das 2,5-fache des Durchmessers des Trichterausgangs betragen.
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Der erste Eintrittskanal sollte zusätzlich im Bereich der ersten Eintrittsöffnung eine Querschnittsfläche aufweisen, welche ungefähr dem Produkt der Breite der ersten Eintrittsöffnung, der Höhe der ersten Eintrittsöffnung und dem Quotienten der Reynoldszahl des Verbrennungsgases zur Reynoldszahl der Sekundärluft beträgt. Das heißt: Querschnittsfläche1 = Höhe1 × Breite, × ReynoldszahlVerbrennungsgas/ReyfldszahlSekundärluft
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Auch der zweite Eintrittskanal sollte im Bereich der zweiten Eintrittsöffnung eine Querschnittsfläche aufweisen, welche ungefähr dem Produkt der Breite der zweiten Eintrittsöffnung, der Höhe der zweiten Eintrittsöffnung und dem Quotienten der Reynoldszahl der Sekundärluft zur Reynoldszahl des Verbrennungsgases beträgt. Das heißt: Querschnittsfläche2 = Höhe2 × Breite2 × ReynoldszahlSekundärluft/ReynoldszahVerbrennungsgas
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Unter ungefähr soll hierbei jeweils eine maximale Abweichung von 15% von der berechneten Querschnittsfläche verstanden werden.
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Weiterhin sollte das Volumen der Sekundärbrennkammer derart auf das Verbrennungsgas und die Sekundärluft ausgelegt sein, dass dieses zwischen 0,0001 und 0,15 des Volumens aus der Summe des Verbrennungsgasstromvolumens pro Stunde und des Sekundärluftstromvolumens pro Stunde beträgt.
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Die Zeichnungen stellen Ausführungsbeispiele der Erfindung dar und zeigen in:
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1 eine Längsschnittansicht einer Sekundärbrennkammer;
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2 eine Sekundärbrennkammer in einem Querschnitt, der senkrecht zu deren Längsachse verläuft und zwei Eintrittsöffnungen von zwei Eintrittskanälen schneidet, wobei Einströmungsrichtungen der Eintrittskanäle parallel jedoch entgegengesetzt zueinander ausgerichtet sind; und
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3 eine Sekundärbrennkammer in einem Querschnitt, der senkrecht zu deren Längsachse verläuft und zwei Eintrittsöffnungen von zwei Eintrittskanälen schneidet, wobei Einströmungsrichtungen der Eintrittskanäle in einem Winkel zueinander angeordnet sind.
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1 zeigt eine Längsschnittansicht einer Sekundärbrennkammer 1 für eine Biomasseverbrennungseinrichtung mit einer rotationssymmetrisch um eine Längsachse A ausgebildeten Trichterform, die sich kontinuierlich von Trichtereingang 14 zu Trichterausgang 13 verjüngt. Der Durchmesser D1 des Trichtereingangs 14 ist dabei ungefähr doppelt so groß wie der Durchmesser D2 des Trichterausgangs 13.
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Am Trichtereingang 14 angeordnete Eintrittskanäle 11, 12 für Verbrennungsgas G und Sekundärluft L münden über Eintrittsöffnungen 111, 121 in den Trichtereingang 14, wobei beide Eintrittsöffnungen 111, 121 von einer imaginären Ebene E senkrecht zur Längsachse A geschnitten sind. Der erste Eintrittskanal 11 ist ungefähr um einen Winkel von 180° versetzt um die Längsachse A zum zweiten Eintrittskanal 12 angeordnet. Dabei haben die Eintrittskanäle 11, 12 unterschiedliche und nicht parallel zur Längsachse A ausgerichtete Einströmrichtungen. Insbesondere liegen die Einströmrichtung des ersten Eintrittskanals 11 und die Einströmrichtung des zweiten Eintrittskanals 12 in einer Ebene E, welche senkrecht zur Längsachse A ausgerichtet ist. Somit sind auch die Einsträmungsrichtungen senkrecht zur Längsachse A.
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Weiterhin sind eine Höhe HG des ersten Eintrittskanals 11 im Bereich seiner Einlassöffnung 111 sowie eine Höhe HL des zweiten Eintrittskanals 12 im Bereich seiner Einlassöffnung 121 gekennzeichnet, die jeweils in Richtung der Längsachse A ausgerichtet sind. Diese Höhen HG, HL betragen ungefähr das 0,7-fache des Durchmessers D2 des Trichterausgangs 13.
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Schließlich beträgt eine Länge LK der Sekundärbrennkammer 1 ungefähr das 3,5-fache des Durchmessers D1 des Trichtereingangs 14.
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2 beschreibt eine Sekundärbrennkammer 1 in einer Schnittebene E-E. Eine vergleichbare Ebene E wurde zum Beispiel in 1 eingeführt. Die Sekundärbrennkammer 1 hat eine rotationssymmetrisch um eine Längsachse A ausgebildete Trichterform, die sich kontinuierlich von Trichtereingang 14 zu Trichterausgang verjüngt. Am Trichtereingang 14 mit einem Durchmesser D1 sind Eintrittskanäle 11, 12 für Verbrennungsgas G und Sekundärluft L mit unterschiedlichen und nicht parallel zur Längsachse A ausgerichteten Einströmrichtungen R1, R2 angeordnet. Dabei ist der erste Eintrittskanal 11 versetzt um einen Winkel WT von ungefähr 180° um die Längsachse A zum zweiten Eintrittskanal 12 positioniert. Die Eintrittskanäle 11, 12 münden über Eintrittsöffnungen 111, 121 in den Trichtereingang 14, wobei beide Eintrittsöffnungen 111, 121 von der imaginären Ebene E senkrecht zur Längsachse A geschnitten sind.
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Dabei sind Einströmungsrichtungen R1, R2 der Eintrittskanäle 11, 12 parallel zueinander, zeigen jedoch in entgegengesetzte Richtungen. Die Einströmrichtung R1 des ersten Eintrittskanals 11 setzt im Schwerpunkt des Massenstroms des Verbrennungsgases G und die Einströmrichtung R2 des zweiten Eintrittskanals 12 im Schwerpunkt des Massenstroms der Sekundärluft L an. Die Einströmrichtung R1 des ersten Eintrittskanals 11 ist exzentrisch mit einem Exzenterabstand EG zur Längsachse A ausgerichtet. Zusätzlich ist die Einströmrichtung R2 des zweiten Eintrittskanals 12 exzentrisch mit einem Exzenterabstand EL zur Längsachse A ausgerichtet. Dabei zeigen in der gewählten Ansicht die Einströmrichtungen R1, R2 beide gegen den Uhrzeigersinn um die Längsachse A. Außerdem sind die Exzenterabstände EG, EL nur so groß, dass beide Eintrittskanäle 11, 12 nicht tangential in den Trichtereingang 14 münden.
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Wie weiterhin erkennbar ist, haben die Eintrittskanäle 11, 12 unterschiedliche Breiten BG, BL im Bereich ihrer Eintrittsöffnungen 111, 121. Imaginäre lineare Fortsätze IG, IL dieser Eintrittskanäle 11, 12 bilden ein Schnittvolumen S innerhalb der Sekundärbrennkammer 1 aus. Hierdurch kollidieren das Verbrennungsgas G und die Sekundärluft L und es kommt zu einer Scherung zwischen den beiden Strömen. Beide dieser imaginären Fortsätze IG, IL werden innerhalb ihres Schnittvolumens S von der Längsachse A geschnitten.
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3 stellt eine weitere Sekundärbrennkammer 1 in einer Schnittebene E-E dar. Eine vergleichbare Ebene E wurde zum Beispiel in 1 eingeführt. Die Sekundärbrennkammer 1 hat eine rotationssymmetrisch um eine Längsachse A ausgebildete Trichterform, die sich kontinuierlich von Trichtereingang 14 zu Trichterausgang verjüngt. Am Trichtereingang 14 mit einem Durchmesser D1 sind Eintrittskanäle 11, 12 für Verbrennungsgas G und Sekundärluft L mit unterschiedlichen und nicht parallel zur Längsachse A ausgerichteten Einströmrichtungen R1, R2 angeordnet. Dabei ist der erste Eintrittskanal 11 versetzt um einen Winkel WT von ungefähr 135° um die Längsachse A zum zweiten Eintrittskanal 12 positioniert. Die Eintrittskanäle 11, 12 münden über Eintrittsöffnungen 111, 121 in den Trichtereingang 14, wobei beide Eintrittsöffnungen 111, 121 von der imaginären Ebene E senkrecht zur Längsachse A geschnitten sind.
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Dabei sind Einströmungsrichtungen R1, R2 der Eintrittskanäle 11, 12 nicht parallel zueinander. Die Einströmrichtung R1 des ersten Eintrittskanals 11 setzt im Schwerpunkt des Massenstroms des Verbrennungsgases G und die Einströmrichtung R2 des zweiten Eintrittskanals 12 im Schwerpunkt des Massenstroms der Sekundärluft L an. Die Einströmrichtungen R1 des ersten Eintrittskanals 11 ist exzentrisch mit einem Exzenterabstand EG zur Längsachse A ausgerichtet. Zusätzlich ist die Einströmrichtungen R2 des zweiten Eintrittskanals 12 exzentrisch mit einem Exzenterabstand EL zur Längsachse A ausgerichtet. Dabei zeigen die Einströmrichtungen R1, R2 beide gegen den Uhrzeigersinn um die Längsachse A. Außerdem sind die Exzenterabstände EG, EL nur so groß, dass beide Eintrittskanäle 11, 12 nicht tangential in den Trichtereingang 14 münden.
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Imaginäre lineare Fortsätze IG, IL der Eintrittskanäle 11, 12 bilden ein Schnittvolumen S innerhalb der Sekundärbrennkammer 1 aus. Hierdurch kollidieren das Verbrennungsgas G und die Sekundärluft L und es kommt zu einer Scherung zwischen den beiden Strömen. Dabei wird nur der imaginäre Fortsatz IL des zweiten Eintrittskanals 12 von der Längsachse A geschnitten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sekundärbrennkammer
- 11
- erster Eintrittskanal
- 111
- Eintrittsöffnung des ersten Eintrittskanals
- 12
- zweiter Eintrittskanal
- 121
- Eintrittsöffnung des ersten Eintrittskanals
- 13
- Trichterausgang
- 14
- Trichtereingang
- A
- Längsachse
- D1
- Durchmesser des Trichtereingangs
- D2
- Durchmesser des Trichterausgangs
- E
- Ebene
- EG
- Exzenterabstand der Einströmrichtung des ersten Eintrittskanals
- EL
- Exzenterabstand der Einströmrichtung des zweiten Eintrittskanals
- G
- Verbrennungsgas
- HG
- Höhe des ersten Eintrittskanals
- HL
- Höhe des zweiten Eintrittskanals
- IG
- imaginärer linearer Fortsatz des ersten Eintrittskanals
- IL
- imaginärer linearer Fortsatz des zweiten Eintrittskanals
- L
- Sekundärluft
- R1
- Einströmrichtung des ersten Eintrittskanals
- R2
- Einströmrichtung des zweiten Eintrittskanals
- S
- Schnittvolumen
- WT
- Winkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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