DE3112457C2

DE3112457C2 - Vorrichtung zur Verbrennung von wasserhaltigen festen Brennstoffen

Info

Publication number: DE3112457C2
Application number: DE3112457A
Authority: DE
Inventors: Klaus-Dieter 2070 Ahrensburg Brocks
Original assignee: Lorowerk Kh Vahlbrauk 3353 Bad Gandersheim De GmbH
Current assignee: Lorowerk Kh Vahlbrauk 3353 Bad Gandersheim De GmbH
Priority date: 1981-03-28
Filing date: 1981-03-28
Publication date: 1983-05-26
Also published as: NL179312C; NL8201195A; DE3112457A1; NL179312B

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Verhrennung von wasserhaltigen festen Brennstoffen, insbesondere von Holz, in einer Brennkammer eines Heizungskessels.

Infolge der Verteuerung der gebräuchlichsten Ener- w gieträger Öl, Kohle und Gas besteht zunehmend der Wunsch nach der Ausnutzung von festen Brennstoffen. Dabei werden in der Regel eingesetzt wasserhaltige feste Brennstoffe wie Holz, Holzspäne, Stroh, Papier und brennbarer Mischmüll oder auch Mischungen dieser festen Brennstoffe. Mit der steigenden Verwendung derartiger fester Brennstoffe tritt das Problem einer quantitativen Verbrennung solcher Brennstoffe in den Vordergrund,^ ist bisher üblich, derartige Brennstoffe in die Brennkammer von Heizkesseln einzubringen, und dort in üblicher Zufuhr der Verbrennungsluft zu verbrennen. Es wurde nun festgestellt, daß die Nachteile einer Verbrennung solcher wasserhaltiger Brennstoffe in üblichen Brennkammern und insbesondere in Brennkammern von Heizkesseln mit Leistungen bis 350 kW durch den hohen Wassergehalt der Brennstoffe und die dadurch bedingte unvollständige Verbrennung gegeben sind. Solche unvollständigen Verbrennungen führen zu einer unzureichenden Ausnutzung der Brennstoffe und ferner zu schwer zu beseitigenden Rückständen und schließlich zu einer Versottung der Brennkammer. Die an sich möglichen hohen Verbrennungstemperaturen werden durch Wärmekreisläufe im Verbrennungsraum wie Verdampfung und Rückkondensation des Wassers im Brennstoff verhindert, und es bleibt in hohem Maß bei den bekannten Heizkammem bei Schwelprozessen mit niedrigeren Verbrennungstemperaturen. Es ist an sich aus der Verbrennung höherwertiger Brennstoffe wie Kohle und Koks bekannt, daß es vorteilhaft ist, die Reaktionen zur Erzielung optimaler Verbrennungen in mehreren Stufen ablaufen zu lassen. Dabei kommen als Hauptstufen infrage die Verbrennung von C zu CO und die nachträgliche Verbrennung von CO zu CO₂. Diesen Gesichtspunkten ist jedoch bei der Verbrennung von wasserhaltigen festen Brennstoffen bisher nicht ausreichend Rechnung getragen worden, insbesondere wurde der Behandlung des Wassergehalts während der Verbrennungsvorgänge nicht ausreichend Aufmerksamkeit geschenkt, auch wenn es allgemein bekannt war, in Vorrichtungen zur Verbrennung von festen, wasserhaltigen Brennstoffen eine Nachverbrennung der Rauch- und Schwelgase durch Zuführung von Sekundärluft vorzunehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs angegebenen Art zu schaffen, mit der auch die wasserhaltigen festen Brennstoffe vollständig verbrannt werden können, ohne daß es zu den schädlichen Rückständen und zu Versottungen kommt Dies soll mit einfachen MiHeIn und Bauteilen durchgeführt werden und bei Heizkammem an Heizkesseln herkömmlicher Bauart auf einfache Weise durchgeführt werden können. Dies wird nach der Erfindung durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs beschriebenen Merkmale erreicht Hierdurch wird folgende vorteilhafte Wirkung erzielt: Die Verbrennung wird mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung in zwei Hauptstufen durchgeführt Im eigentlichen Bereich der Brennkammer wird in einer ersten Stufe C zu CO verbrannt Gleichzeitig wird das im Brennstoff enthaltene Wasser, das während dieser ersten Verbrennungsstufe verdampft wird, durch die geschlossene Bauform der Brennkammer nach unten über die durch die Zufuhr der Primärluft gebildete Glutzone dieser CO-Quelle nach unten abgelenkt und dort gespalten. Ein Teil des dabei abgespaltenen O₂ leitet dabei die Verbrennung von CO zu CO₂ ein. Eine Kondensation des Wassers innerhalb des Brennraums ist dadurch ausgeschlossen. Wird nun unmittelbar im Anschluß an die Austrittsöffnung für die Reaktionsprodukte erfindungsgemäß in einer zweiten Stufe Sekundärluft gezielt zugeführt, so steht ausreichend Sauerstoff zur Verfügung, um einerseits CO zu verbrennen zu CO₂ (2 CO + O₂ zu 2 CO₂) als auch H zu H₂O (4 H + O₂ zu 2 H₂O). Der Brennstoff wird somit in der Brennkammer vorvergast, und es findet die endgültige Verbrennung im

Bereich der Austrittseffnung der Brennkammer in deren unterem Scheitel statt. Die schädlichen Taupunktunterschreitungen finden weder in der Entgasungszone im oberen Kammerbereich unter Luftabschluß noch in der Vergasungszone der Brennkammer in deren unterem, zur Austrittsöffnung gelegenen Bereich statt, da die Brennkammer stets Temperaturen von über 350° C aufweist Die Heizgasführung verläuft sowohl in der Brennkammer selbst wie auch bei der Nachverbrennung im Bereich der Austrittsöffnung vertikal-parallel und ι ο damit gleichmäßig. Es hat sich der wesentliche Vorteil gezeigt, daß auch schwer brennbare Stoffe bei Erreichen der Glutzone im Bereich der Zuführung der Primärluft bzw. im Bereich der Austrittsöffnung restlos verbrennen. Bei der Verbrennung von Holz z.B. entsteht in der Brennkammer selbst zunächst stets Holzkohle und danach Holzkohlengas, woraus sich der Vorteil ergibt, daß sich der Vorratsraum innerhalb der Brennkammer selbst räumt Außer in der Anzündphase ist der nachteilige Schwelbrand praktisch ausgeschlossen. Es hat sich gezeigt, daß selbst Verbrennungen von Holzspänen problemlos durchgeführt werden können, und zwar insbesondere wegen der restlosen Verbrennung innerhalb der geschilderten Glutzone. Als weiterer Vorteil hat sich gezeigt, daß erfindungsgemäß der geschilderte Verbrennungsvorgang aus einem Brennstoffvorrat gefahren werden kann. So würden automatische Beschickungseinrichtungen nicht den Betrieb nachteilig durch Verschlechterung des Verbrennungsbildes beeinflussen, da bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Unterbrand stattfindet und diessr auch bei automatischer Beschickung unbeeinträchtigt verlaufen kann, eine solche Beschickung kann in üblicher Weise von oben geschehen, wirkt sich jedoch hinsichtlich des Verbrennungsbildes wie ein Unterschieben bei Oberbrand aus. Die erfindungsgemäß ausgebildete Brennkammer stellt eine in sich geschlossene Baueinheit dar, so daß mit ihr praktisch. Jeder vorhandene Heizkessel nachgerüstet werden kann.

Mit Hilfe der Primärluft-Zufuhrleitung wird eine sich über die gesamte Kammerlänge erstreckende Glutzone erzielt Mit hilfe der sich ebenfalls über die gesamte Kammerlänge erstreckenden Zufuhrleitung mit Luftauslaßöffnungen wird auch die Sekundärluft im Anschluß an die Glutzone gleichmäßig in diesen Austrittsbereich eingeführt und dadurch eine vollständige Verbrennung in der geschilderten zweiten Stufe gefördert. Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn in weiterer Ausbildung der Erfindung zwei parallel zueinander verlaufende Primärluft-Zufuhrleitungen oberhalb bzw. innerhalb der Austrittsöffnung übereinander angeordnet sind. Die geschilderte gleichmäßige Verbrennung und Aufrechterhaltung der Glutzone wird hierdurch erheblich gefördert

Sowohl konstruktiv als auch hinsichtlich der Verbrennungsvorgänge hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Austrittsöffnung der Brennkammer durch zwei im Abstand voneinander verlaufende, nach unten weisende Brennkammerwandungsteile gebildet ist und die Auslaßöffnungen für die Sekundärluft spaltförmig an der unteren Kante dieser Brenrikammerwandungsteile ausgebildet sind. Hierdurch wird eine Art Austrittsschacht für die Verbrennungsprodukte erzeugt, und es werden diese Verbrennungsprodukte unmittelbar bei ihrem Austritt aus der Austrittsöffnung im günstigsten Bereich von der Sekundärluft über die gesamte Kammerlänge beaufschlagt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist zweckmäßig die SekundSrluft-Zufuhrleitung durch auf der Außenwand der Brennkammer angeordnete Luftkanäle gebildet, die zweckmäßig beidseitig symmetrisch der Brennkaminerwand verzweigt ausgebildet werden, um dann zu den spaltförmigen Auslaßöffnungen zu führen. Die Sekundärluft tritt daher bereits überhitzt z. B. mit Temperaturen über 250° C in den Verbrennungsbere'ich ein, so daß die Reaktion beschleunigt und nicht gebremst wird.

Eine weitere zweckmäßige Bauform wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch erzielt daß sowohl die Primärluft-Zufuhrleitung als auch die Sekundärluft-Zufuhrleitungen durch von der vorderen Stirnfläche der Brennkammer zur rückwärtigen Stirnfläche verlaufende und dort in die jeweils zugeordnete Zufuhrleitung mündende Luftförderkanäle gespeist werden, welche Luftförderkanäle an der Brennkammerwandung angeordnet sind. Mit Hilf« eines einzigen Anschlusses eines geeigneten Gebläses können Primär- und Sekundärluft somit auf einfache Weise zugeführt werden. Das Gebläse mit einem geei ;<eten Anschlußstutzen kann dabei an der Hcizkammtrtü- angeordnet sein und sich beim Schließen der Heizkammertür mit den vorderen Eintrittsöffnungen verbinden. Vorteilhaft ist es, wenn die Luftförderkanäle wenigstens der Primärluft, wenigstens abschnittweise auf der Brennkammerinnenwand verlaufen. Hierdurch wird insbesondere die Primärluft vor dem Eintritt in die Brennkammer überhitzt wodurch wiederum die Reaktion wesentlich gefördert wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine in einen Heizkessel eingesetzte Vorrichtung,

F i g. 2 die Vorderansicht der Anordnung nach F i g. 1 bei abgenommener Heizkammertür.

Die Zeichnung zeigt weitestgehend schematisch einen üblichen Heizkessel mit einer Heizkammer und der eingesetzten Vorrichtung nach der Erfindung.

Dargestellt ist zunächst ein zylindrisch ausgebildeter Heizkessel 1, der einen äußeren Wassermantel 2 aufweist dessen Innenwandung 3 eine zylindrische Heizkammer 4 umschließt Auf der in F i g. 1 links gelegenen vorderen Stirnfläche ist die Heizkammer offen und wird durch eine geeignete, hier zur Vereinfachung nicht dargestellte Kammertür verschlossen. Rückwärtig ist die Heizkammer 4 mit einem Auslaßstutzen 5 für die Abgase versehen.

In den so ausgebildeten Heizkessel ist eine Vorrichtung nach der Erfindung eingesetzt. Diese Vorrichtung weist eine Brennkammer 6 auf, die bis auf eine sich über ihre Länge erstreckende, im unteren Scheitel verlaufende und in die Heizkammer 4 mündende Austrittsöffnung 7 gegpn die Heizkammer 4 geschlossen ist. Die Brennkammer 6 ist in der Grundgestalt etwa zylindrisch ausgebildet, nach ob?n jedoch dachförmig ausgestaltet. Die Austrittsöffnung 7 ist durch zwei im Abstand voneinander verlaufende, nach unten weisende Brennkammerwandungsteile 8 gebildet, also, wie F i g. 2 zeigt, schachtförmig ausgt bildet

Oberhalb der Austrittsöffnung 7 und im unteren Bereich der Brennkammer 6 verläuft eine erste Primärluft-Zufuhrleitung 9, die sich über die Brennkammerlänge erstreckt und mit verteilten Luftaustrittsöffnungen 10 versehen ist. Parallel dazu und unterhalb dieser Zu/chrleitung 9 verlaufend sowie innerhalb der durch die Wandungsteile 8 gebildeten

Austrittsöffnung 7 ist eine zweite Primärluft-Zufuhrleitung 11 geringeren Durchmessers mit Luftaustrittsöffnungen 12 angeordnet. Die Primärluft wird durch einen Luftförderkanal 13 in die Zufuhrleitungen 9 und 11 gespeist. Diese Luftförderkanäle verlaufen von der > vorderen Stirnfläche der Brennkammer 6 aus zur rückwärtigen Stirnfläche an der Brennkammerinnenwand, wie insbesondere P i g. 1 zeigt.

Beidseitig der Austrittsöffnung 7 münden in den Austrittsbereich der Verbrennungsprodukte Zufuhröff- in nungen für Sekundärluft. Diese Zufuhröffnungen sind im Ausführungsbeispiel sich über die gesamte Brennkammerlänge erstreckend, spaltförmig an der unteren Kante der Brennkammerwandungsteile 8 ausgebildet, wie bei 14 in F i g. 2 dargestellt ist. Für die Zufuhr der ι ■·> Sekundärluft sind auf der Außenwandung der Brennkammer 6 beidseitig der Brennkammerwandungsteile 8 Sekundärluft-Zufuhrleitungen 15 gebildet, im Ausführungsbeispiel durch auf die Brennkammeraußenwand aufaphrarhtp 7itcä(7lirhp Wanritincypn IA 7n Hipcpn ι·>

Sekundärluft-Zufuhrleitungen 15 wird die Sekundärluft von der vorderen Stirnfläche der Brennkammer 6 aus über Luftförderkanäle 17 zur rückwärtigen Stirnfläche und danach in die Luftzufuhrkanäle 15 gespeist Dies kann über einen gemeinsamen Anschlußstutzen 18 an r> der vorderen Stirnfläche der Brennkammer 6 geschehen, wie die Zeichnung zeigt. Die Luftförderkanäle 17 für die Sekundärluft verlaufen teils innerhalb und teils außerhalb der Brennkammerwandung, wie die Zeichnung wiedergibt.

In der Zeichnung ist schematisch angedeutet, daß die Primär- und die Sekundärluft über den gemeinsamen Anschlußstutzen 18 mit Hilfe eines entsprechend anschließbaren Gebläses 19 zugeführt werden können, das an der jeweiligen Tür der Heizkammer 4 angeordnet sein kann, die hier zur Vereinfachung der Darstellung nicht wiedergegeben ist. Der jeweilige Querschnitt der Luftaustrittsöffnungen 10 und 12 bzw. der spaltförmigen Auslaßöffnungen 14 für die Sekundärluft kann nach den jeweiligen Strömungsverhältnissen gestaltet, insbesondere in Luftförderrichtung zunehmend ausgebildet sein, um den jeweiligen Stiömungsverhältnissen und Strömungswiderständen Rechnung zu tragen. Am Boden der durch die Wandungsteile 8 gebildeten Austrittsöffnung 7 für die Verbrennungspro dukte ist zweckmäßig ein Rost angebracht, der im Ausführungsbeispiel schematisch durch die Stäbe 20 angedeutet ist. Zur verstärkten Halterung zumindest der Primärluft-Zufuhrleitung 9 können innerhalb der Brennkammer 6 Halterungsstreben 21 vorgesehen sein. Ferner ist die Brennkammer 6 zur Halterung und Zentrierung in der Heizkammer 4 an der rückwärtigen Stirnfläche mit einem StUtzschild 22 versehen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird im wesentlichen aus miteinander verschweißten, vorwiegend blechförmigen Stahlteilen zusammengesetzt. Die Brennkammer 6 kann oberhalb der Primärluft-Zufuhrleitung 9 mit Brennstoff beschickt werden, und zwar auch mit Hilfe einer automatischen Beschickungseinrichtung.

Der Verbrennungsvorgang innerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt, wie bereits eingangs dargestellt, wie folgt: Die Brennkammer 6 wird mit dem jeweiligen wasserhaltigen Brennstoff gefüllt, und es wird durch Anzünden und Einleitung von Primärluft flKor Hip Primärluft. 7iifiihrlpitiincrpn Q unH 1 1 Aar """" "·- · — ·—·· --··.- .«β··· - —·— -· "*·■

Verbrennungsvorgang eingeleitet. In der ersten Stufe innerhalb der Brennkammer 6 wird zunächst CO gebildet und H2O während dieser Verbrennung verdampft. Durch die geschilderte geschlossene Bauform der Vorrichtung und insbesondere der Brennkammer 6 wird über die gebildete Glutzone CO und verdampftes H₂O nach unten geleitet, und es wird dabei das ΗϊΟ gespalten, wobei ein Teil des O₂ die Verbreitung von CO zu CO2 einleitet In den Bereich der nach unten durch die Austrittsöffnung 7 hindurchtretenden Verbrennungsprodukte und insbesondere der erzeugten Gase wird nunmehr über die spaltförmigen Auslaßöffnungen 14 Sekundärluft in ausreichendem Maß zugeführt, so daß in diesem Bereich die geschilderte Verbrennung von CO zu CO₂ erfolgt wie auch die Reaktion von H mit O₂ zu H₂O. Diese abschließende Verbrennung geschieht praktisch rückstandslos. Die gebildeten Gase einschließlich des überhitzten Wasserdampfs füllen die Heizkammer 4 aus und werden durch den Auslaßstutzen 5 abgeführt Etwaige feste Verbrennungsprodukte und letzte Verbrennungsrückstände (Asche) fallen durch den Rost 20 in den unteren Bereich der Heizkammer 4 und können dort in einfacher Weise ausgetragen werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorricl-ing zur Verbrennung von wasserhaltigen festen Brennstoffen, insbesondere Holz, in einer Brennkammer eines Heizungskessels, dadurch s gekennzeichnet, daß in die Brennkammer des Heizungskessels (4) eine zweite Brennkammer (6) eingesetzt ist, welche gegenüber der ersten Brennkammer (4) bis auf eine sich über ihre gesamte Länge erstreckende, im unteren Scheitel verlaufende und in die erste Brennkammer (4) mündende Austrittsöffnung geschlossen ist, und daß über die gesamte Länge der Brennkammer (6) in deren unterem Bereich, jedoch oberhalb der Austrittsöffnung (7) wenigstens eine Zufuhrleitung (9,11) für Primärluft und beidseitig der Austrittsöffnung (7) über deren gesamte Länge in den Austrittsbereich der Verbrennungsprodukte mündende, jeweils eine Sekundärluft-Zufuhrleitung (IS) mit Auslaßöffnungen (14) angeordnet ist

2. VorrirJnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daS zwei parallel zueinander verlaufende Primärluft-Zufuhrleitungen (9, 11) oberhalb bzw. innerhalb der Austrittsöffnung (7) übereinander angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnung (7) durch zwei im Abstand voneinander verlaufende, nach unten weisende Brennkammerwandungsteile (8) gebildet ist und die Auslaßöffnungen (14) für die Sekundärluft spaltförmig an der unteren Kante dieser Brennkammerwandungsteile (8) ausgebildet sind.

4. Vorrichtung nach einem dar Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärluft-Zufahrleitung durch auf der AuE· iiwand der Brennkammer (6) angeordnete Luftkanäle (15) gebildet ist

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Primärluft-Zufuhrleitung bzw. -leitungen (9, 11) als auch die w Sekundärluft-Zufuhrleitungen (15) durch von der vorderen Stirnfläche der Brennkammer (6) zur rückwärtigen Stirnfläche verlaufende und dort in die jeweils zugeordnete Zufuhrleitung mündende Luftförderkanäle (13, 17) gespeist werden, welche Luftförderkanäle an der Brennkammerwandung angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftförderkanäle (13, 17) wenigstens der Primärluft wenigstens abschnittweise auf so der Brennkammerinnenwand verlaufen.