DE10331707B4

DE10331707B4 - Brennkammer einer Festbrennstoff-Verbrennungseinrichtung, insbesondere zur Verfeuerung fester Biomasse

Info

Publication number: DE10331707B4
Application number: DE2003131707
Authority: DE
Inventors: Konrad Brandl
Original assignee: Hdg Bavaria Heizkessel & Anlagenbau GmbH; Hdg Bavaria Heizkessel & GmbH
Current assignee: Hdg Bavaria Heizkessel & Anlagenbau GmbH; Hdg Bavaria Heizkessel & GmbH
Priority date: 2003-07-11
Filing date: 2003-07-11
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2023-07-12
Also published as: DE10331707A1; EP1496312A2; EP1496312A3

Abstract

1) Brennkammer (1) einer Festbrennstoff-Verbrennungseinrichtung, insbesondere zur Verfeuerung fester Biomasse, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (1), durch wechselweises Aufeinanderschichten von Materialschichten in Form von hitzebeständigen Formteilen aus zwei unterschiedlichen Materialien gebildet ist, wobei die eine Materialschicht eine Führungsplatte (2) und die andere Materialschicht eine Isolierplatte (3) ist, wobei die Führungsplatte (2) im eingebauten Zustand der Brennkammer (1) in einem Heizkessel an eine Kesselwand angrenzt und die Isolierplatte (3) von der Kesselwand zurückversetzt und von dieser beabstandet ist, und wobei die Führungsplatte (2) an der Innenseite der Brennkammer gegenüber der Isolierplatte (3) übersteht und einen Absatz (5) ausbildet.

Description

Brennkammer einer Festbrennstoff-Verbrennungseinrichtung, insbesondere zur Verfeuerung fester Biomasse.
Die Erfindung betrifft eine Brennkammer einer Festbrennstoff-Verbrennungseinrichtung, insbesondere zur Verfeuerung fester Biomasse.
Bekanntermaßen durchströmt im Betrieb eines Festbrennstoff-Heizkessels das heiße Verbrennungsgas in Durchströmungskanälen den Heizkessel, welches zuvor in der Brennkammer des Heizkessels durch Verfeuerung beispielsweise von fester Biomasse aufbereitet wird. Die im Heizkessel integrierte Brennkammer ist kritisches Bauteil und wesentlich für eine effektive umweltfreundliche Verbrennung. Gerade bei kritischen Festbrennstoffen wie fester Biomasse kommt es dabei auf einen gleichmäßigen Ausbrand bei hoher Temperaturbelastung in der Brennkammer an, die vielfach zu einer Beschädigung der Brennkammer, insbesondere zu Rissen in der Brennkammerwand führt, die nur schwer behoben werden können. Vielfach muß die gesamte Brennkammer neu gestaltet werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Brennkammer einer Festbrennstoff-Verbrennungseinrichtung der eingangs genannten Art, die einfach aufgebaut ist und effektiv bei guter Umweltverträglichkeit selbst bei Verfeuerung fester Biomasse betrieben und bei Beschädigung leicht repariert werden kann.

Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch eine Brennkammer der im Anspruch 1 angegebenen Art.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche 2 bis 10.

Wesen der Erfindung ist, dass die Brennkammer durch wechselweises Aufeinanderschichten von Materialschichten in Form von hitzebeständigen Formteilen aus zwei unterschiedlichen Materialien gebildet ist. Die eine Materialschicht ist eine Führungsplatte und die andere Materialschicht eine Isolierplatte, wobei die Führungsplatte im eingebauten Zustand der Brennkammer in einem Heizkessel an eine Kesselwand angrenzt und die Isolierplatte von der Kesselwand zurückversetzt und von dieser beabstandet ist, und wobei die Führungsplatte an der Innenseite der Brennkammer gegenüber der Isolierplatte übersteht und einen Absatz ausbildet.

Insbesondere bestehen die Einzelschichten aus zumindest zwei unterschiedlichen Materialien. Die eine Materialschicht besteht in vorteilhafter Weise aus einem abriebfesten, erosionsfesten Material, vorzugsweise aus Metall oder Schamotte. Die andere Materialschicht ist aus einem hitzebeständigen Isoliermaterial gebildet, welches eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist und vorzugsweise porös und kondenswasseraufnahmefähig ist.

Die Isolierplatte kann in einer Formvertiefung der Führungsplatte formschlüssig aufgenommen sein und flächig auf der Führungsplatte aufliegen, sowie eine plane Oberseite aufweisen, welche als flächige Auflage für eine weitere Führungsplatte dient oder zumindest dienen kann.

Von Vorteil bei der Erfindung ist, dass die Lebensdauer der Brennkammer durch die Sandwichbauweise um ein Vielfaches erhöht wird. Übliche Brennkammern müssen meistens nach dem Auftreten von Rissen ausgewechselt werden, da sie in sich zusammenbrechen. Die Sandwichbrennkammer ist hier weniger anfällig, da Risse in einem oder mehreren Elementen nur über kurze Distanzen auftreten. Die restlichen Schichten halten die Brennkammer in ihrer vorgesehenen Form. Sie bricht nicht zusammen und erfüllt weiterhin ihren Zweck.

Die Isolierplatten lassen sich aus sehr hochwertigem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit gestalten. In der Regel sind diese Materialien porös ausgestaltet wie ein Schwamm und können größere Mengen an Kondenswasser aufnehmen.

Die Führungsplatten können aus Metal, aber auch aus Schamotte oder einem Schamotte-ähnlichen Material sein. Die Führungsplatten sind sehr widerstandsfähig gegen Erosion und dürfen eine geringe Isolierungswirkung aufweisen. Die Führungsplatten sind aus einem Material gewählt, das möglichst wenig Kondenswasser speichert.

Die erfindungsgemäße Brennkammertechnik zeichnet sich also durch einen starken Widerstand gegen Erosion aus. Durch die Kombination von harten zu weichen Materialien können auf der harten Materialseite sehr erosionsbeständige Materialien eingesetzt werden.

Die erfindungsgemäße Brennkammertechnik zeichnet sich ferner dadurch aus, dass durch das Gestalten der Wandflächen eine hohe Wandturbulenz erzeugt werden kann. Eine hohe Wandturbulenz mischt die kälteren Gase der Wandzone mit dem heißeren Gasstrom der Kernzone. Ein gleichmäßiger Ausbrand ist die Folge.

Die erfindungsgemäße Brennkammertechnik zeichnet sich darüber hinaus dadurch aus, dass die weichen Isolierschichten zu den harten Steinschichten zurückgesetzt sind. Durch diese Anordnung entsteht ein Strömungsschatten, der die weichen Isolierplatten vor Erosionsabtrag schützt.

Die erfindungsgemäße Brennkammertechnik sieht ferner eine hohe Temperatur- bzw. Wärmespeicherfähigkeit vor. Temperaturschwankungen können somit in einem gewissen Maß ausgeglichen werden.

Besonders zeichnet sich die erfindungsgemäße Brennkammertechnik durch ein hohes Maß an eigenständiger Steifigkeit aus. Die Brennkammer muss nicht an Kesselwänden anliegen und behält trotzdem ihre Formstabilität. Von Vorteil dabei ist, daß Wärmeströme durch die Kontaktfreiheit des Brennkammerwerkstoffs zu den Kesselwänden unterbrochen werden können, wodurch höhere Brennkammertemperaturen erzielt werden können.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass an Stellen mit hoher thermischer Belastung und hoher Erosionsbelastung verstärkt widerstandsfähige Materialien eingeschichtet werden.

Die erfindungsgemäße Brennkammer zeichnet sich durch eine hohe Servicefreundlichkeit aus. Treten an Stellen mit Spitzenbeaufschlagung Schädigungen auf, so ist es möglich, nur die beschädigten Kammernteile auszutauschen.

Schließlich sei erwähnt, dass die erfindungsgemäße Brennkammertechnik ein hohes Maß an Formflexibilität besitzt. Brennkammerformen wie Strömungskernaufspaltungen können leicht eingebaut werden. Durch das Einschichten von Formbauteilen kann dieser Anspruch erfüllt werden.

Zwar ist aus DE 1 145 294 C Stapelbauweise von Einzelelementen einer Brennkammerwand bekannt. Die bekannte Brennkammerwand besteht aber aus stapelbaren komplexen Bauelementen, die gleichgeartet sind und jeweils eine Metallwand und eine gleichgeartete feuerfeste Schicht besitzen.

Aus DE 37 25 069 A1 ist grundsätzlich Wabenstruktur bei Feuerraum-Auskleidungen bekannt. Ein Leerraum zwischen einer Kesselwand und einer Brennkammerwand ist nicht vorgesehen.

Auch die bei einer Reaktorbrennkammer aus DE 92 08 606 U1 bekannten Schichten sind nicht erfindungsgemäß gestapelt. Die Schichten erstrecken sich vertikal.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:
1 eine Brennkammer einer Festbrennstoff-Verbrennungseinrichtung mit Führungsplatten und Isolierplatten schematisch in einer perspektivischen Ansicht,
2 die Brennkammer nach 1 in einem vertikalen Längsschnitt,
3 die Brennkammer nach 1 in einer schematischen Stirnansicht,
4 die Einzelheit X in 2,
5 bis 7 die Führungsplatte nach 1 in einer perspektivischen Ansicht, in einem Längsschnitt sowie in einem Querschnitt,
8 die Einzelheit X1 nach 7,
9 die Isolierplatte nach 1 in einer perspektivischen Ansicht ähnlich der Führungsplatte nach 5, und
10 und 11 andere Brennkammerformen in einer perspektivischen Ansicht ähnlich 1.
Gemäß Zeichnung umfasst eine Brennkammer 1 einer Festbrennstoff-Verbrennungseinrichtung in Form eines Heizkessels zur Verfeuerung fester Biomasse aufeinander gesetzte, formstabile, hitzebeständige Einzelschichten in einer Sandwichbauweise.
Die Einzelschichten sind einstückige Formteile und bestehen aus zwei unterschiedlichen Materialien.
Die eine Materialschicht besteht aus einem abriebfesten, erosionsfesten, hitzebeständigen Material, hier aus Metall, und ist ein aus einer Blechplatte gestanztes Formteil.
Die andere Materialschicht besteht aus einem hochwertigen hitzebeständigen Isoliermaterial mit geringer Wärmeleitfähigkeit, welches porös und kondenswasseraufnahmefähig ist, d.h. schwammähnlich aufgebaut ist. Sie ist ein gegossenes oder gesintertes Formteil.
Wie in 3 am besten illustriert, sind beide Materialschichten abwechselnd aufeinander folgend angeordnet, um gemeinsam eine formstabile Brennkammer 1 aus losen Einzelteilen auszubilden.
Insbesondere ist die eine Materialschicht eine Führungsplatte 2 gemäß den 5 bis 8 und die andere Materialschicht eine Isolierplatte 3 gemäß 9, wobei die Führungsplatte 2 im eingebauten Zustand einer Brennkammer 1 in einem Heizkessel an eine Kesselwand angrenzt, während die Isolierplatte 3 von der Kesselwand zurückversetzt bzw. beabstandet ist.
Hierbei ist die Isolierplatte 3, wie dies insbesondere der Einzelheit nach 4 zu entnehmen ist, in einer Formvertiefung 4 der Führungsplatte 2 formschlüssig aufgenommen und liegt flächig auf der Führungsplatte auf. Die Isolierplatte besitzt eine plane Oberseite, welche als flächige Auflage für eine weitere Führungsplatte 2 dient.
Die Anordnung der Brennkammer 1 ist so getroffen, dass die Führungsplatte 2 bei einer flächigen Auflage auf einer Isolierplatte 3 an der Innenseite der Brennkammer übersteht und einen Absatz 5 ausbildet, wie dies insbesondere der 4 zu entnehmen ist.
Die in Draufsicht rechteckige Führungsplatte 2 gemäß 5 weist in Längserstreckung beidseits mittige Sollbruchstellen 6 auf und besitzt in Längserstreckung in Draufsicht gleiche Breite, welche der Dicke der Längswand der Brennkammer 1 entspricht. Die kürzeren Querwände der Brennkammer 1 sind in der Mitte verjüngt. Der innere Brennraum der ver tikalen Brennkammer 1 weist also in Draufsicht Sechseckform auf.
Um vorgenannter rechteckiger Brennkammerkonfiguration Rechnung zu tragen, sind auch sämtliche Isolierplatten 3 im We sentlichen wie die Führungsplatten 2 formgestaltet, nur etwas kleiner und ohne Sollbruchstellen und ohne Vertiefungen.
Die Führungsplatten 2 und die Isolierplatten 3 können nicht nur rechteckige Brennkammerkonfiguration in Draufsicht aufweisen, sondern beispielsweise auch Quadratform, oder Kreisform gemäß 10 oder gemäß 11, sowie Ovalform.
Der Umfang der Führungsplatte 2 besitzt, wie dies am besten aus den 6 und 7 zu entnehmen ist, einen konischen nach oben hin verjüngten Querschnitt Q1, während der Umfang der Isolierplatte 3 einen Rechteckquerschnitt Q2 aufweist, wie dies insbesondere in 4 veranschaulicht ist.
Aufeinander gesetzte Führungs- und Isolierplatten können also eine vertikale Brennkammerwand nach 1 oder eine schräge Brennkammerwand ausbilden, insbesondere eine nach oben hin konisch erweiterte Brennkammer 1 gemäß 11.
An Stellen mit hoher thermischer und hoher Erosionsbelastung einer Brennkammer 1 können verstärkt widerstandsfähige Materialschichten vorgesehen, insbesondere eingeschichtet sein.
Spezielle Formbauteile für eine Raumtrennung und/oder eine Strömungskernspaltung der Brennkammer 1 können ebenfalls vorgesehen, insbesondere eingeschichtet sein.
Die erfindungsgemäße Sandwichbrennkammer ist also eine spezielle Art einer Brennkammer, die besonders zur Verfeuerung fester Biomasse geeignet ist. Das auffälligste Kennzeichen dieser Brennkammer ist ihr sandwichartiger Aufbau. Es werden abwechselnd Platten aus unterschiedlichen Materialien übereinandergelegt, was eine optimale Zusammensetzung der Brennkammer hinsichtlich Standzeit und Isolierwirkung gewährleistet.
Die Führungsplatten bieten in der Regel eine hohe Standzeit bei geringer Isolierwirkung. Sie dienen zur exakten Positionierung der Isolierplatten und verhindern einen direkten Kontakt des Isoliermaterials zum Kesselkörper. Sie können mit Sollbruchstellen ausgestattet sein. Die Dicke und Form der Führungs- und Isolierplatten kann variieren, um unterschiedliche Brennkammergeometrien zu realisieren, zum Beispiel zylindrische, ovale oder quadratische Brennkammer, auch konische Anordnungen.
Die wesentlichsten Funktionsmerkmale sind:

• Hohe Abriebfestigkeit
• Starke Wandturbulenz
• Hohe Formanspruchsfähigkeit
• Hohe Formflexibilität
• Hohe Isolierwirkung im Verhältnis zur Standzeit
• Eigenständige Steifigkeit im Verhältnis zum Einbauraum
• Raumtrennungs- und Strömungskernspaltende Einbauten sind leicht einbringbar
• Isolierwirkung im Verhältnis zu Abriebfestigkeit schichtbar
• Einzelne Elemente austauschbar bei örtlich starken Schäden

Claims

1) Brennkammer (1) einer Festbrennstoff-Verbrennungseinrichtung, insbesondere zur Verfeuerung fester Biomasse, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (1), durch wechselweises Aufeinanderschichten von Materialschichten in Form von hitzebeständigen Formteilen aus zwei unterschiedlichen Materialien gebildet ist, wobei die eine Materialschicht eine Führungsplatte (2) und die andere Materialschicht eine Isolierplatte (3) ist, wobei die Führungsplatte (2) im eingebauten Zustand der Brennkammer (1) in einem Heizkessel an eine Kesselwand angrenzt und die Isolierplatte (3) von der Kesselwand zurückversetzt und von dieser beabstandet ist, und wobei die Führungsplatte (2) an der Innenseite der Brennkammer gegenüber der Isolierplatte (3) übersteht und einen Absatz (5) ausbildet.

Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsplatte (2) aus einem abriebfesten, erosionsfesten Material, vorzugsweise aus Metall oder Schamotte, und die Isolierplatte (3) aus einem porösen und kondenswasseraufnahmefähigen Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit gebildet ist.

Brennkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierplatte (3) in einer Formvertiefung (4) der Führungsplatte (2) formschlüssig aufgenommen ist und flächig auf der Führungsplatte (2) aufliegt, sowie eine plane Oberseite aufweist, welche als flächige Auflage für eine weitere Führungsplatte dient.

Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsplatte (2) Sollbruchstellen (6) aufweist.

Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsplatten (2) und die Isolierplatten (3) je nach Brennkammerkonfiguration in Draufsicht Rechteck-, Quadrat-, Kreis- oder Ovalform besitzen.

Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Umfang der Führungsplatte (2) einen konischen nach oben hin verjüngten Querschnitt (Q1) besitzt, während der Umfang der Isolierplatte (3) einen Rechteckquerschnitt (Q2) aufweist.

Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass aufeinander gesetzte Führungs- und Isolierplatten (2, 3)eine vertikale Brennkammerwand ausbilden.

Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass aufeinander gesetzte Führungs- und Isolierplatten (2, 3) eine schräge Brennkammerwand, insbesondere eine nach oben hin konisch erweiterte Brennkammer (1), ausbilden.

Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an Stellen mit hoher thermischer und hoher Erosionsbelastung einer Brennkammer (1) verstärkt widerstandsfähige Materialschichten vorgesehen, insbesondere eingeschichtet sind.

Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass spezielle Formbauteile insbesondere für eine Raumtrennung und/oder eine Strömungskernspaltung der Brennkammer (1) vorgesehen, insbesondere eingeschichtet, sind.