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Die Feuerung von Biomasse, oder von festen Brennstoffen ganz allgemein, hat, im Vergleich zur Feuerung von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen, viele Nachteile. Neben den oft höheren Anschaffungskosten, den grösseren Dimensionen, dem Anfallen von Asche und Schlacke als Nebenprodukten der Verbrennung und dem verhältnismässig hohen Sauerstoffüberschuss mit der diese Verbrennungen betrieben werden, sind insbesondere die hohen Partikelemissionen zu nennen. Diese führen nicht nur zu schlechteren Emissionswerten und darum erhöhten Filterungsaufwand nach dem Kessel, sondern auch zu einer erhöhten Verschmutzung der Wärmetauscher. Dem wird unter anderem dadurch versucht entgegenzuwirken, in dem regelmässig Druckluft durch die Rauchgasrohre hindurch geblasen wird. Trotzdem bleibt der Nachteil, dass die Reinhaltung der Wärmetauscher, bei klassischen Feststoff Feuerungen, mit Rosten, Unterschub- oder anderen Vorrichtungen, mit einem höheren Investitions- oder Arbeitsaufwand verbunden sind, bestehen. Anderenfalls bildet sich eine isolierende Schmitzschicht auf den Tauscherflächen, welche den Wärmeübergang behindert und den Betrieb eines solchen Systems unrentabel macht.
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Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem durch die Kombination zweier an sich bekannter Technologien, zu einem neuen Produkt.
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Einerseits sind bekannt, so genannte Zyklonfeuerungen, die im Bereich der Kohlefeuerung sehr verbreitet waren und heute zum Teil noch sind. Bei dieser Art von Feuerung wird ein Brennstoff-Luft-Gemisch in einem Zyklon entzündet. Die schnelle Rotationsbewegung vermischt die Verbrennungsluft mit dem zu Staub zermahlenen Brennstoff äusserst intensiv. Dabei entstehen sehr hohe Temperaturen. Die Schlacke bleibt flüssig, wird durch die Zentrifugalkraft nach aussen gedrückt und durch die Schwerkraft nach unten gezogen. Auf diese Weise werden alle festen Nebenprodukte der Verbrennung effektiv abgeschieden und die nachfolgenden Wärmetauscher werden davor geschützt.
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Andererseits sind bekannt, so genannte Biomasse Aufsatzbrenner. Diese Art von Brennern entwickeln meist eine horizontale Flamme, die dadurch entsteht, dass auf einem verhältnismässig kleinen Glutbett, der Brennstoff über einen Primärluftstrom vergast wird, die Produktgase waagerecht aus dem Brenner heraus geführt und im Bereich des Austrittes mit Sekundärluft vermischt werden, was zur eben genannten, charakteristischen, meist horizontalen Flamme führt. Dabei gibt es auch Bauarten von Brennern, so wie in Patent
EP 03 07 6097.9 beschrieben, die in der Lage sind, auch zur Verschlackung neigende Brennstoffe zu verbrennen. Der Vorteil dieser Art von Brennern ist darin zu sehen, dass sie mit einem verhaitnismässig niedrigen Sauerstoffüberschuss betrieben werden können und damit zudem auch konventionelle Kesselsysteme, die bisher mit Gas und Heizöl befeuert wurden, relativ leicht mit einem solchen Brenner nachzurüsten sind, weil sie in den meisten Fällen bisher ebenfalls mit einer horizontalen Flamme befeuert worden sind. Der Nachteil ist darin zu sehen, dass neben der Flamme auch die festen Nebenprodukte vorne aus dem Brennerrohr austreten und, vor allem im Falle einer Umrüstung eines bestehenden Kesselsystems, in einen Brennraum ausgeworfen werden, der nicht dafür vorgesehen ist, diese aufzunehmen und aus dem Kessel wieder hinaus zu schaffen.
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Die Kombination dieser beiden Feuerungsarten führt zum hier vorgestellten Feuerungssystem, das nachfolgend in drei möglichen Anwendungen dargestellt wird, einem Heissluftgenerator, der ein heisses Rauchgas-Luft-Gemisch herstellt, einem Frischluft-Erwärmer, der über einen Luft-Luft-Wärmetauscher eine Rauchgas freie Luft herstellt und einem Kesselsystem, das zur Erwärmung von Flüssigkeiten, oder der Herstellung von Dampf, insbesondere aber zur Beheizung von Gebäuden dient.
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Zeichnung 1: Veranschaulicht das Prinzip
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Zeichnung 2: Zeigt einen Heizkessel im Durchschnitt
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Zeichnung 3: Zeigt einen Heizkessel von aussen
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Die Bezeichnung der Elemente ist in allen Zeichnungen gleich:
- a)
- Aufsatzbrenner
- b)
- Rohr des Aufsatzbrenners
- c)
- Flansch des Aufsatzbrenners
- d)
- Führungsschiene Aufsatzbrenner
- e)
- Tangentialer Einlass in den Zyklon
- f)
- Zyklon
- g)
- Aschebehälter
- h)
- Luftschlitze
- i)
- Frischluft Einlass
- j)
- Mantelgehäuse
- k)
- Austrittsöffnung des Zyklons
- l)
- Wasserbad
- m)
- Rauchgasrohre Zug nach unten
- n)
- Rauchgasrohre Zug nach oben
- o)
- Rauchgasaustritt
- p)
- Tauchrohr des Zyklons
- q)
- Brauchwasser-Rohrschlange
- r)
- Lammellen für die Vergrösserung der Oberfläche.
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Für die Umsetzung dieser Erfindung, wird ein Aufsatzbrenner (a) in der Art mit einem Zyklon (f) kombiniert, dass das Rohr des Aufsatzbrenners (b) aus dem die Flamme austritt, so in den tangentialen Einlass des Zyklons (e) platziert wird, dass die Flamme in den Zyklon (f) hinein brennt und die Rauchgase in dem selben in eine kreisende Bewegung gebracht werden. Für eine besondere Wartungsfreundlichkeit ist der Brenner an einer Führungsschiene (d) angebracht, so dass er bequem zurück gesetzt werden kann und dadurch von allen Seiten her gut zugänglich ist.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird also, im Unterschied zu einer klassischen Zyklonfeuerung, nicht ein Brennstoff-Luft-Gemisch in den Zyklon eingebracht, sondern die Rauchgase eines Brenners (a), (b), die anschliessend im Zyklon (f) die optimalen Temperatur- und Strömungsverhältnisse für einen sauberen Ausbrand vorfinden. Asche, Schlacke und andere schwere Nebenprodukte der Verbrennung, die aus dem Brennerrohr (b) hinaus gestossen werden, fliegen relativ direkt nach unten, durch den Zyklon (f) hindurch und landen in einer Vorrichtung welche die Asche aufnimmt, im weiteren Dokument Aschebehälter (g) genannt, die sich unterhalb des Zyklons (f) befindet. Flugasche, die von der Verbrennungsluft aus dem Brennerrohr (b) hinaus getragen wird, wird durch die schnell kreisende Bewegung der Rauchgase an die Wand des Zyklons (f) gedrückt und von der Schwerkraft nach unten zum Aschebehälter (g) hin gezogen. Dieser Effekt wird verstärkt, wenn zusätzlich zu den Rauchgasen des Aufsatzbrenners (a) noch frische Luft hinzu gegeben wird. Diese wird an irgendeiner geeigneten Stelle in den Prozess eingeführt. In Zeichnung 1 ist dies im Bereich des tangentialen Einlasses in den Zyklon (e), der mit Luftschlitzen (h) versehen ist, durch welche die zusätzliche Frischluft eintritt, nachdem sie von aussen von einem Ventilator (auf den Zeichnungen nicht dargestellt) durch einen Frischlufteinlass (i), in ein den Zyklon (f) umgebendes Mantelgehäuse (j) hinein gestossen wurde und den Zyklon (f) gekühlt hat. Diese zusätzlich in den Prozess eingeführte Luft (h) verstärkt die Rotationsbewegung und verbessert den Partikelabscheidungs-Effekt des Zyklons (f). Zudem schont die sich daraus ergebende Mischtemperatur des Frischluft-Rauchgas-Gemisches, die verwendeten Materialien, so dass keine besonderen Massnahmen zu deren Schutz, wie Kühlung, Beschichtung, oder weitere Massnahmen vorgesehen werden müssen, was aber nicht bedeutet, das solche Massnahmen vorgesehen werden können, falls ein Betriebstemperatur-Niveau gewünscht wird, das dies erfordert. Die Betriebs-, beziehungsweise die Endtemperatur, die aus dem Austritt des Zyklons (k) austritt, hängt mit der Menge der zugeführten Frischluft ab.
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Die kann fix eingestellt, oder flexibel regulierbar konzipiert sein, so dass durch ein Erhöhen und Verringern der zugeführten Frischluft (i), (h), die gewünschte Endtemperatur flexibel eingestellt werden kann. Im Extremfall kann auf das Zuführen von Frischluft sogar verzichtet werden. Das End-Ergebnis am Austritt des Zyklons (k) ist ein sauberes, praktisch partikelfreies Gasgemisch, auf dem Temperaturniveau, auf dem man es wünscht. Da auch der Aschebehälter (g) eine gewisse Wärme abstrahlt, besteht die Möglichkeit, dass der Ventilator die Luft im Bereich des Aschebehälters ansaugt und diese Wärme mitnimmt, bevor er die durch die Abstrahlungswärme des Aschebehälters (g) vorgewärmte Luft, durch den Frischlufteinlass (i) in das Mantelgehäuse des Zyklons (j) einbläst. Damit ist auch schon ein erstes Produkt beschrieben, nämlich jenes des Heissluftgenerators, der Prozesswärme in der Form eines funkenfreien Frischluft-Rauchgase-Gemisches, für Trocknungs- und andere Prozesse, zu Verfügung stellt.
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Benötigt man die Wärme nicht in der Form eines Frischluft-Rauchgas-Gemisches, sondern in der Form reiner erwärmter Frischluft, so besteht die Möglichkeit den beschriebenen Heissluftgenerator mit einem Wärmetauscher zu kombinieren (auf den Zeichnungen nicht dargestellt), so dass die aus dem Zyklon austretende Prozessluft (k) über einen Luft-Luft-Wärmetauscher die erwünschte reine erwärmte Frischluft zu Verfügung stellt. Der grösste Vorteil einer solchen Kombination ist der, dass die Wärmetauscher praktisch von jeglicher Staubbelastung befreit werden und das Gerät praktisch die gleichen Wartungs- und Reinigungsintervalle hat, wie wenn es mit einem flüssigen oder gasförmigen Brennstoff beheizt würde.
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Eine weitere interessante Anwendung dieser Erfindung entsteht, wenn man, wie in Zeichnung 2 im Durchschnitt und in Zeichnung 3 von aussen dargestellt, den Zyklon mit einer Wasserkühlung (l) und eventuell mit Rauchgasrohren (m) und (n) kombiniert wird und man dadurch im weitesten Sinne einen Heizkessel erhält, in dem Flüssigkeiten erhitzt, oder gar verdampft werden können. In Zeichnung 2 sieht man eine Ausführung, bei welcher der Zyklon (f) in einem Wasserbad steht. Die Oberfläche des Zyklons (f) wurde durch aufgeschweisste Lamellen (r) vergrössert und das Tauchrohr des Zyklons (p) wurde aus einem feuerfesten Material erstellt, oder mit einem solchen beschichtet. Wassergekühlte Tauchrohre, sowie simple Tauchrohre aus Blech, ohne weitere Schutzmassnahmen, sind ebenfalls denkbar. In der Ausführung, wie auf Zeichnung 2 dargestellt, werden die Rauchgase direkt, ohne Beimischung von zusätzlicher Frischluft, durch den Zyklon (f) hindurch geleitet, was aber nicht bedeutet, dass man auch bei der Heizkesselanwendung zusätzliche Frischluft in den Prozess einblasen kann. Die heissen Gase, welche den Zyklon (f) verlassen (k), werden durch einen ersten Zug von Rauchrohren nach unten (m) und in einem zweiten Zug von Rauchrohren wieder nach oben (n) geführt, bevor sie durch einen Rauchgasaustritt (o) ins Freie, in einen Kamin, oder sonst wo hin geleitet werden. Die Rauchrohre (m) und (n) stehen vorzugsweise im gleichen Wasserbad (l) wie der Zyklon, aber es sind auch andere Ausführungen vorstellbar. Im gleichen Wasserbad (l) können noch weitere Wärmetauscher angebracht werden, so dass mehr als nur ein Heizkreis damit beheizt werden kann. Eine Ausführung dieser Möglichkeit ist in Zeichnung 2 dargestellt, in welcher das Wasser des Heizkreislaufes das Wasser des Wasserbades (l) liefert, das durch die Oberflächen des Zyklons (f) und der Rauchgasrohre (m) und (n) aufgeheizt wird. Das Wasser des Wasserbads (l) gibt nun einen Teil der aufgenommenen wärme an eine Rohrschlange (q) weiter, in dem das Brauchwasser erwärmt wird. Hier ist die Rohrschlange aussen, um die Rauchgasrohre (m) und (n) angeordnet. Dies kann aber auch innerhalb, oder kombiniert ausgeführt werden. Ein geeigneter Ort ist auch der Raum neben der Verjüngung des Zyklons. Auch hier ist der grösste Vorteil derjenige der staubfreien Prozessgase, welche die Tauscherflächen nicht belasten. Die Emissionswerte sind nicht nur bezüglich der Staubemissionen, sondern auch in Bezug auf andere Messwerte hervorragend, so dass bei den meisten Brennstoffen auf eine nachfolgende Behandlung der Rauchgase verzichtet werden kann. Bei der Heizkessel-Anwendung ist die verhältnismässige Kompaktheit im Vergleich zu herkömmlichen Feuerungen besonders augenfällig.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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