DE2700723A1 - Hochtemperatur-zentrifugal-gasreaktor zum einbau in verbrennungs-heizanlagen - Google Patents

Description

• P A T E N T - A N .1 1 1 [) N II 4 G @ (Beschreibung) Erfinder: Merschall sen., Leonhard 8952 Marktoberdorf Sonnenbichlstr. 2 Mitel: Hochtemperatur-Zentrifugal-Gasreaktor (µ % G) zum Einbau in Verbrennungs-Heizanlagen@@ Anwendungsgebiet: Zur Neausrüstung bzw. zum nachträglichen Einbau in sämtliche stationäre und mobile Heizaglagen (z.B.) Gehäude-Zentralheizungen, Heizkraftwerte, Schiffs-Dampfkesselanlagen, Fahrzeugheizungen und dgl.) von beliebiger Größe und Heizleistung, die hauptsächlich mit folgenden flüssigen, staub- oder gasförmigen Brennstoffen betrieben werden: n. Leichtes Heizöl h, Leichtes Heizöl oder geeignetes Gas (z.t3. Azety]nn) als Zünd- und Vorheizbrennstoff und schweres Heizöl im vollautomatischen Kombinationsbetriab c. wie unter b. und Kohlenstaub (beliebiger Zusammensetzung) im vollautomatischen Kombinationsbetrieb d. wie unter h. und Sägemehl im vollautomatischen Kombinationsbetrieb e. wie unter b. und jeder beliebige, vergasbare, flüssige oder staubförmige Brennstoff in vollautomatischen Kombinationsbetrieb f. wie unter b. und schwer brennbare Gase (z.B. Hochofen-Gichtgase bzw. -Schwefelgase im beliebigen Kombinations- oder Einzelbetrieb Zweck: Die Erfindung ermöglicht bei allen Heizanlagen und bei allen genannten, zum Teil schwer brennbaren Brennstoffe, eine vollständige und ruRfreie Verbrennung mit sehr hohem Kesselwirkungsgrad (88 bis 93%) zu erzielen.
• Ferner zeichnet sich dadurch eine Möglichkeit ab, die Abgase weitgehend zu entgiften.
• (hauptsächlich die Neutralisation und Beseitigung des sehr giftigen und lästigen Schwefeldioxyds SO2 entsprechende Zusatzanmeldungen befinden sich in Ausarbeitung) Aus der vollstAndigen rußfreien Verbrennung, wie man sie beispielsweise bei Methan- Propan- oder Stadtgas-Brennern seit Jahrzehnten gewohnt ist, ergeben sich Brennstoff-Ersparnisse in der Größenordnung von 10 bis 30 %, weil der durch die bisherige Verrußung bewirkte starke Wirkungsgradabfall unterbleibt. Ruß wirkt bekanntlich stark wZrmeisolierend.
• Stand der Technik: Es ist bekannt, daß einige Heizkessel- bzw. Ölbrenner-Hersteller sogenannte Flammbleche oder Glühringe einbauen, die auf das Flammenende temperaturerhöhend wirken. (z.B. besichtigt in einem relativ neuen Schweröl-GroRheizkessel der Schlepperwerke X. FENDT in Marktoberdort; Kesselhersteller Fa. M A N - Heizleistung 10 000 000 koslih - Betriebsdauer ca. 5 Jahre ) Wie mir vom Heizwart bekanntgegeben wurde, alarmierte das der Heizanlage gegenüberliegende Landratsamt schon mehrfach wegen RUR- und Schwefelgas-Belästigung die Umweltschutz-Behörde.
• Die Störungs-Hauptursechen sind hierbei neben den Wetterbedingungen (z08. Luftfeuchtigkeit, Verbrennungelufttemperatur) nach Angabe des Heizwerts die ständig wechselnde Zusemmensetzung und Qualität des Rückstand Heizöles.
• Es ist ferner bekannt, daR zur Rußausscheidung verschiedene Abgasfilter (z.B. Elektrostatik-Filter) verwendet werden bzw. sendantige Rußbindemittel in des Flammenende eingestreut werden.
• Zweifellos lassen sich mit den genannten Maßnahmen gewisse Teilverbesserungen erzielen.
• Kritik des Stendes der Technik: Durch die erwähnten Maßnahmen wird weder die frei werdende Verbrennungswärme so konzentriert, daß die unvermeidlich entstehenden schwer brennbaren Teilverbrennungsprodukte (Fluß, schwere hochmolekulare Kohlenwasserstoffverbindungen) nochmals ausreichend übsro hitzt und chemisch aufgespalten werden, noch unterliegen sie den erforderlichen hohen Zentrifugalkräften, die das erneute Zusammenführen und Verbrennen mit dem noch überschüssigen, stark vorgeheizten Luftsauerstoff ermdglichen würden.
• Aufgobe: Der Erfindung liegt die Hauptaufgabe zugrunde, durch den relativ einfach neurüst- bzw. nachrüstbaren HoZ-ß in jeder vollautomatischen Heizanlage, die mit einem oder mehreren der genannten Brennstoffe betrieben wird, optimale Verbrennungsbedingungen herbeizuführen.
• Daraus ergeben sich Brennstofferparnisse zwischen 10 und 30 %, ferner zeichnet sich eine Lösungsmöglichkeit ab, die Abgase vor dem Eintritt in den Schornstein weitgehend zu entgiften.
• (Beseitigung von RuB -wird verbrannt- Schwefeldioxyd und Aschestaub, desgleichen wird das Verbrennungswasser vor dem Eintritt der Abgase in den Schornstein kondensiert.
• Dadurch läßt sich das "Versotten" der Schornsteine weitgehend vermeiden und durch das Abkühlen der Abgase auf ca. 40 bis 50°C zusätzlich ca. 3 bis 5% Brennstoff einsparen; - Betrieb unterhalb des Taupunktes und damit Rechnung mit oberem Heizwert -Der erzielbare feuerungstechnische Gesamtwirkungsgrad kommt hierdurch bis in die Höhe von 98 %.
• Zusatzarmeldung H-Z-G - Abgasentgiftung erfolgt demnächst.
• Lösung: diese Aufgabe wird erfindungsgemäfl dadurch gelöst, d a B 1. der Einlaßkanal (1) die gesamte, richtig dosierte Brennstoff- und Verbrennungsluftmenge aufnimmt (siehe Abb. I) 2. der Verbrennungsvorgang auf Grund der unter "Erzielbare Vorteile " geschilderten Zusammenhänge stark beschleunigt und intensiviert wird; 3. die bei der Verbrennung sehr schwerer Brennstoffe mit hohem Kohlenstoffgehalt (z.B. Rückstandsheizöl, Kohlen staub) evtl. noch verbleibenden Teilverbrennungsprodukte (insbesondere gröbere Rußpartikel) in den nachgeschalteten glühenden Secundär-Vergasungskammern (3) infolge der hohen Zentrifugal-Kräfte solange am Umfang rctierend verbleiben, bis deren Bestandteile infolge ständig zunehmender Überhitzung und Aufspaltung mit dem ebenfalls am Umfang sich sammelnden Restsauerstoff vollstbndig verbrennen.
• 4. die daraus entstandenen Verbrennungsgase auf Grund der mit höheren Temperatur werringerten spezifischen Gewichts nun mit den übrigen heißen und vollständig verbrannten Gasen in die einstellbaren Auslaßschlitze (a) zu drängen vermögen.
• Weitere Ausgestaltung der Erfindung: 5. Je nach 8renneranschluBbedingungen, kann der Einlaßkanal rund, oval, rechteckig, quadratisch oder in beliebigen weiteren geeigneten Querschnittsformen ausgebildet sein. Zur Erzielung hoher Wirbelgeschwindigkeiten ist die Einmündung in das Überhitzerrohr düsenförmig ausgebildet 6. Über auswechselbare oder teleskopierbare AnschluX-oder Zwischenstücklängen des Einlaßkanals (1) ist die Lage des H-Z-G gegenüber den Sollheizflächen des Kessels soweit verstellbar, daß unter Berücksichtigung der Brennraumgröße und -Form ein günstiger Abstand eingestellt werden kann.
• 7. Die in Strömungsrichtung und -Widerstand einstellbaren Ausleßschlitze (4) ermöglichen unter Berücksichtigung des Verdichterkennfeldes des Verbrennungsluftgeblbses sowie unter Berücksichtigung der Lage des Schornsteinanschlusses am Heizkessel, eine Optieierung bei jedem Kesseltyp. (Einfluß auf den Wärmetausch-Wirkungsgrad der heißen Verbrennungsgase zum Wassermantel 8. bei Schweröl- und Kohlenstaub-H-Z-G - Typen werden durch kleine Indikatorbohrungen oder Schlitze an von außen im Betrieb gut sichtbaren Stellren, Einstell-und Überwachungsmöglichkeiten geschaffen, die es jedem eingewiesenen Heizwert oder Kundendienstmonteur erlauben, das richtige und optimele Luftverhältnis ohne komplizierte Meßgeräte ein- bzw. nachzuregulieren, dadurch lassen sich die schwankenden Zusammensetzungen es Rückstandsheizöles sowie des Kohlenstaubes in der Praxis leichter nachregeln und bewältigen.
• Die ohne Meßgeräte abzulesenden Beurteilungsparameter der Brennereinstellung (Brennstoffmenge - Luftverhältnis) sind hierbei neben der Glühtemperatur (durch Glühfarbenvergleichsblatt leicht abshätzbar) der an den Indikator-Bohrungen beginnende Flammenaustritt (Über- bzw. Unterdruck im Zentrum des Flammenwirbeles) sowie die Flbmmenfarben wie nachstehend angegeben: hellrot = Flammentemperatur ca. 900°C = rußhaltig gelb = = " = ca. 1100°C = glühender und sich spaltender Ruß und Kohlenstoff; blau 9 = " = ca. 1500° C r erwünschte Flammentemperatur - rußfrei; violett I I N r ca. I?OO0 C = sehr gute konzentrierte Verbrennung, aber Überhitzungsgefahr; Erzielbare Vorteile: Die mit dem"Hochtemperatur-Zentrifugal-Gareaktor zum Einbau in Verbrennungs-Heizanlagen" erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, d a B 1. durch die mit dem H-Z-G gegebene getrennte Einstellungsmöglichkeit der "Verbrennungsbedingungen - rußfrei " und der "Wärmetauschbedingungen" der heiBen as an den Sollheizflächen der Kessel, Lufterhitzer und dgl. sich Heizungs-Wirkungsgrade bis 93% erzielen lassen (Abgastemperatur ca. 150 bis 180°C) 2. im Einlaßkanal (1) die leichteren Kohlenwasserstoffverb:indungen vollständig und die schwereren -Verbindungen teilweise verbrennen und den noch unverbrauchten Luftsauerstoff auf ca. 900°C vorwärmen; 3. durch die vom Verbrennungsluft-Ventilator erzeugte Strömungsbewegung dein gesamten Luft-Brennstoff-Flammen-Gemisch in dem gegenüber dem EinlaRkanal (1) tangential angeordneten Überhitzerrohr (2) eine starke rotatorische Wirbelbildung aufgezwungen wird, wodurch sich infolge der Zentrifugal-Gesetzmäßigkeiten die teilverbrannten Gas- und Rußbestandteile von den verbrannten, heißeren und spezifisch leichteren Gasen trennen, die sich in dos Zentrum des Feuerwirbels drängen; 4. sich die genannten Teilverbrennungsprodukte am Umfang des überhitzer-Rohes (2) sammeln und an der mit ca.
• 1100 bis 1200 O C glühenden inneren Wandung stark aufheizen und chemisch aufspalten und mit dem spezifisch relstiv schweren, ebenfalls am Umfang kreisenden Sauerstoff, verbrennen; 5. sich Rille beteiligten Gase als Folge der mit fortschreitender Verbrennung verbundenen Temperaturerhöhung und Wichteverringerung, unter intensivem Wärmeaustausch mehrmals durchmischen, wodurch die Mßchverbrennung zeitlicil, räumlich und in Bezug auf die entstehenden Maximaltemperaturen, sehr intensiviert und beschleunigt wird; Zur Verdeutlichung der komplexen Zusammenhänge sind nachstehend die spezifischen Gewichte der wichtigsten, un der Verbrennung genannter Brennstoffe beteiligten bzw. entstehenden Gase bei Temperaturen zwischen O und L (; C aufgeführt.
• Gasart: Wasser- Stick- Kohlen- Sauer- Kohlen- Schwefeldampf stoff oxyd stoff diuxyd dioxyd H2O N2 CO O2 CO2 SO2 kg/Nm³-0°C 0,768 1,25 1,25 1,429 1,977 2,930 kg/m³ bei 500°C 0,271 0,441 0,441 0,505 0,690 1,035 600°C 0,195 0,318 0,318 0,364 0,503 0,745 1100°C 0,153 0,248 0,246 0,204 0,393 0,583 1400°C 0,125 0,204 0,204 0,233 0,323 0,478 1700°C 0,106 0,173 0,173 0,198 0,274 0,405 b. die be i der Verbrennung sehr schwerer Brennstoffe- z. 6.
• Rückstandsheizöl, Kohlenstaub - evtl. nach verbleibenden Teilverbrennungsprodukte (insbesondere größere Huß-bzw.
• Kohlenstaubpartikel) in die den Überhitzerrohr (2) ntichgeschalteten, ebenfalls stark beheizten und glühenden Secundär-Vergasungskammern (3) strömen und dort solange rotierend verbleiben, bis deren Bestandteile infolge der ständig zunehmenden Überhitzuny und chemischen Aufspaltung mit oem ebenfalls am Umfang kreisenden Restsaurstoff verbrennen und die daraus entstandenen sehr heilen Gase (hauptsächlich CO2 mit ca. 1500°C) sich entgegen der wirksamen Zentrifugal-Kräften in die Auslaßschlitze (4) im Zentrum der Vergasungs- bzw. Verbrennungskammern zu drängen vermögen; 7. sich die gesamten rußfreien Verbrennungsgase beim Verlassen des H-Z-G zu einer mittleren Temperatur von ca.
• 1000 bis 1100 o C mischen und auf Grund der im"Unteranspruch" beshriebenen Maßnahmen, breit gefächert an die Soll-Heiflächen der betreffenden Heizanlage (z.B.
• Wassermantel) anstrahlen und - blasen; 8. durch die mit dem"Hochtemaperarur-Zentrifugal-Gasreaktor zum Einbau in Vrebrennungs-Heizanlagen" gegebene getrennte Einstellungsmöglichkeit der "verbrennungsbedungungen" und der "Wärmetauschbedingungen" der heißen rußfreien Abgase an den Soll-Heizflächen, lassen sich auch bei kleineren sowie alten Zentralhcizkesseln, Lufterhitzer und dgl., nachweislich Gesamtwirkungsgrade zwischen 88 und 93% erzielen @. auch kein Wirkurgsgradabfall infolge allmähliche 2 Verrußung der Heizflächen mehr ergibt und sich dadurch insgesamt Brennstoffersparnisse Zwischen 10 und 30% erzielen lassen; 10. der HOCHTEMPERATUR~ZENTRIFUGAL~GASREAKTOR in Schwerölausführung (siehe Abb. II) die Umrüstung Kleinerer und mittlerer Heizanlagen auf Schwerölbetrieb ermöglicht; (ein nachträglich einbaubarer Umrüstsatz befindet sich in Entwicklung, einschließlich eines beheizten, vollautomatisch hydraulisch geregelten Schweröl-Dosier-Heglers; (Zusatzanmeldungen erfolgen nach Entwicklungsabschluß) Bekanntlich wurden wegen der schlechten Absatzmöglichkeit des Rückstandsheizöles von der Erdöl-Industrie mehrfach die Benzin- Diesel- und Leichtheizölpreise erhöht.
• Die sich aus diesem Zusammenhang ergebenden Vorteile sind nach meiner Überzeugung von $VOLKSWIATSCHAFILICHER BEDEUTUNG 11. der H-Z-G eine wesentliche Vorzussetzung darstellt, die Abgase aller Heizanlagen, die mit den genannten Brennstoffen betrieben werden weitgehend zu entgiften. Das hauptsächlich bei der Verbrennung von schwerem Heizöl und schwefelhaltiger Kokhle entstehende Schwefeldioxyd SO2 ist bekanntlich sehr giftig, nach bei 100 000-facher Verdünnung stechend riechbar, stark pflanzenwachstumshemmend, beschleunigt das Rasten bzw. Oxydieren fast aller Metalle und bewirkt ein rascheres Verwittern des Gesteins der Bauwerke sowie in besonderem Maße der Kamine.
• Die Neutralisation bzw. Beseitigung des Schwefeldioxyds vor dem Eintritt der Verbrennungsgase in den Schornstein ist daher ebenfalls von gesundheitspolitischer, naturschutzbezogener und volkswirtschaftlicher Bedeutung.
• tentsprechende Zusatzanmeldungen zur Abgasentgiftung -hauptsächlich Schwefeldioxyd und Aschestaub erfolgen nach abschluß der entsprechenden Versuchs- und Meßarbeiten.) Die bisherigen Versuche mit dem in Abb. 111 dargestellten, einfacheren H-Z-G - Typ für Leichtölbetrieb haben in drei verschiedenen Kassel- und Brennertyp gezeigt, daß die Anpassung an verschiedene Verbrennungsluft-Gebläse-Kennfelder, Einspritzdrücke, Dösengrößen und -Strahlwinkel relativ problemlos ist; Kessel I 18000 kcal/h; Kessel II 20000 kcal/h; Kessel III 28000 kcal/h Heizleistung; Desgleichen wurden durch provisiorischen Detrieb mit auf ca. 100°C vorgeheiztem Schweröl relativ günstige Ergebnisse erzielt (Rußbild 2) dgl. Kohlenstaub und Sägemehl Die bisher mit dem H-Z-G- Typ I (geschweißte Graugußkonstruktion) erreichten Glühtemperaturen betrugen ca.
• 900 bis 1000°C (Glühfarbe an den heißesten Zonen = gleb) Uurc:h Erweiterung des H-Z-G - Typs I .auf den H-Z-G - Typ II gelang die anhähernd rußfreie Verbrennung mit schwerem Heizöl (Rußbild zwischen 0 und 0,5) Für die hohen erzielten Glütemperaturen sind aber hochhitze- und zunderbeständige höchstlegierte Werkstuffe erforderlich, die zur Zeit beschafft werden.
• Die Grauguß-Konstruktion kam im Überhitzerbereich auf ca. 1200° C Glühtemperatur"weißgelb" und deformierte sich daher örtlich (Fließgrenze von unlegiertem Grauguß) Eine Verscuhs- und Demonstrationskessel-Heizanlage mit einer Heizleistung von ca. 40000 kcal/h für Schwerol-, Kohlenstaub- und Sägemehlbetrich befindet sich im ßau. Die Produktion einre Baureihe des H-Z-G- Typs für Leichtäl (Rußbild C) für Kesselgrößen zwischen 15000 his 40000 kcal/h beginnt demnächst.
• L e e r s e i t e

Claims (1)

1. Patentanspruche: oberbegriff: HOCHTENMPERATUR-ZENTRIFUGAL-GASREAKTOR ( H-Z-O ) zur @euausrüstung bzw. Nachrüstung in sämtliche stationäre und mobile Verbrennungs-Heizanlagen.

   (z.B. Gebäude-Zentralheitungen, Heizkraftwerke, Dampf-Schiffskessel, Fahrzeugheizungen und dgl.) Prinzipiel verwendbar für alle vollautomatischen Verbrennungsheizanlagen beliebiger Größe und Heizleistung, die mit flüssigen, staub- oder gasfürmigen Brennstoffen (z.B. Schweröl, Kohlenstaub, Sägemehl oder schwer brennbaren Gasen z.B. Hochofengichtgas) betrieben werden, Kennzeichnender Teil: d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t d n ß 1. der wärmeisoliert aber gasdicht an der Brennermutfe angeschlossene Einlaßkanal (1) die gesamte, im richtigen Mischung verhältnis dosierte Brennstoff- und Verbrennungluftmenga aufnimmt; (Siehe Abb. I "Ölzentralheizkessel mit eingebautem Schweröl-H-Z-G ) 2. das teilverbrannte Luft-Brennstoft-Flammen-Gemisch in dem gegenüber dem Einlankanal (1) tangential angeordneten Überhitzerrohr stark aufgeheizt und hohen ZENTRIFUGAL-Kräften ausgesetzt wird, wodurch auf Grund der unter " Erzielbare Vorteile " geschilderten Zusammenhängen die Verbrennung räumlich zeitlich und in Bezug auf die entstehende Verbrennungstemperatur, stark intensiviert und beschleunigt wird, wodurch insbesondere der bei den varangegangen Teilverbrennungsvorgängen entstandene RuB weitgehend verbraht wird; 3.die bei der Verbrennung sehr schwerer Brennstoffe mit hohen kohlstoffgehalt (z.B. Bückstandsheizöl; Kohlestaub evtl. noch verbleibenden Teilverbrennungs-Produkte (insbesondere gröBere Kohlenstaub- und Rußpartikel) In den dem Überhitzer-Rohr (2) nachgeschalteten Secundär-Vergasungskammern (3) solange kreisend verbleiben, bi.s deren Bestandteile infolge der ständig zunehmenden Überhitzung, Vergasung und chemischen Aufspaltung zu kleineren niedermolekularen Kohlenwasserstoffverbindungen, mit dem sich ebenfalls am Umfang der Secundär-Vergansungskammern (8) sammelden, spezifisch relativ schweren Restsauerstoff, rußfrei verbrennen; 4. die bei der Nachverbrennung entstandenen sehr heißen Gase (insbesondere Kohlendioxyd CO2 und Schwefeldioxyd SO2) sich nun auf Grund der Temperaturerhöhung und Wichteverringerung, entgegen den wirksamen Zentrifugal-Kräften, in den heißen Gasstrahl der übrigen, vorher verbrannten Gase zu drängen vormögen.

   Oberbegriff des lJnteranspruchs: HOCHTEMPERATUR-ZENTRIFUGAL-GASREAKTOR nach Anspruc 1 bis 4, Kennzeir.hnender Teil des Unteranpruchs: d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß 5. der Einlaßkanal (1) kreisrund, elliptisch, oval , quadratisch, rechteckig oder in beliebigen weiteren (fßr die jeweiligen Brennertypen geeigneten) Querscknittsformen ausgebildet sein kann; 6. der EinlaBkanal (1) zur Erzielung hoher Wirbelgeschwindi keiten vor der Einmündung in den Überhitzerteil (2) abgeflacht, erweitert oder düsenförmig ausgebildet sein kann; Außerdem können eine oder mehrere Überhitzerkammern (in variab, Anord.u.Bauf.wis 5.) gegenüber dem Einlaßkanal, tangetial, mittig oder mittig versetzt angeordnet sein; 7. die Lage des H-Z-G gegenüber den Sollheizflächen (z.B.

   Wassermantel) über auswechselbare, variable oder telieskopierbare Zwischenstücke des Einlaflkanals (1) soweit.

   verstellbar ist, dan ein strömungstechnisch und warmeübertragungstechnisch optimaler Abstand zwischen den Aualaßschlitzen des H-Z-G und den Soll-Heizflächen eingestellt werden kann; ( Zum gleichen Zweck sind aufsteckbare, verstellbare Wär1neleitbleche nachrüstbar)