DE3219489A1

DE3219489A1 - Verfahren und vorrichtung zum verbrennen von festen brennstoffen

Info

Publication number: DE3219489A1
Application number: DE19823219489
Authority: DE
Inventors: Albert 9076 St. Annaparochie Stienstra
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-07-28
Filing date: 1982-05-25
Publication date: 1983-02-17
Also published as: GB2102939A; DK274982A; NO822064L; NL8103544A; FR2510720A1; SE8204343L; BE893408A; LU84285A1; SE8204343D0

Description

PATENTANWALT ' >···" '* "* ί>5θΟ'ΟΟΝΝ 1 / 24. Mai 1982

DIPL-ING. KLAUS-JÜRGEN SCHWARZ germany^RaUEE "^6A

RFIM TELEFON (02221) 2210CB + 2210B9

Ä TELEGRAMME ,CABLE,_: BONNPATENT BONN

f. AKTENNR.: 1 246/82

" VNR: 108 545

Anmelder:

Albert Stienstra
Nassaustraat 5

9076 CB St. Annaparochie
Niederlande

Patentanmeldung

Verfahren und Vorrichtung zum Verbrennen von festen Brennstoffen

Die Erfindung bezieht sich av £ ein Verfahren zum Verbrennen von. festen Brennstoffen auf dem Glutbett eines schub- oder chargenweise arbeitenden Heizkessels oder Boilers, bei dem die entstehenden Verbrennungsgase einem Rauchkanal oder Kamin zugeführt werden, sowie auf eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.

Verbrennung ist ein Gleichgewichtsvorgang, bei dem die Konzentration, Temperatur und die Zeit als die wichtigsten abhängigen Faktoren das Endprodukt bestimmen. Zusätzlich erfordert Verbrennung einen hohen Freiheitsgrad der Moleküle, d. h. daß der feste Brennstoff an erster Stelle in die gasförmige Phase umgesetzt werden muß. Bei dem schubweisen oder chargenweisen Betrieb des größeren Teils von Heizkesseln oder Heizeirtrichtungen für die Verbrennung fester Brennstoffe ist eine vollständige Verbrennung nahezu unmöglich, was natürlich ein großer Nachteil im Hinblick auf den Wirkungsgrad, die Umweltbelastungen und die

Sicherheit des Verbrennungsvorganges ist. Es ist irsbecondere die schub- oder chargenweise Zugabe von festem Brennstoff in die Heizkessel oder Boiler, die eine genaue Einstellung der Konzentration in der Verbrennungskammer verhindert, mit Ausnahme der zugeführten Luftmenge. Als eine Regel gilt jedoch, daß der Anteil von zugeführter Luft in die Verbrennungskammer (in der vorwiegend eine unvollständige Verbrennung stattfindet) unzureichend ist in Bezug auf die Menge von entwickelten Verbrennung sgasen für die Kontrolle und Steuerung der Wärmeleistung. Weiterhin wird die Temperatur in der Verbrennungskammer durch den schub- oder chargenweisen, nicht kontinuierlichen Charakter der Brennstoffzufuhr niedriggehalten, wofür der Prozentsatz von Feuchtigkeit in den». Brennstoff eine der wesentlichsten Ursachen ist.

Eine unzureichende Luftzufuhr und/oder eine zu geringe Temperatur verhindern die Zündung und vollständige Verbrennung der entstehenden Verbrennungsgase, so daß ein beträchtlicher Anteil des brennbaren Materials, hauptsächlich Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxide, aus der Verbrennungskammer entweichen. Dieses Material bildet eine Ablagerung oder einen Niederschlag auf verhältnismäßig kalten Oberflächen oder entweicht in die umgebende Atmosphäre durch den Rauchkanal oder Kamin. Die Ablagerung in Form von Ruß und Teer an den Wandungen der Verbrennungskammer und ein vorhandener Abgaskühler verringert den Wirkungsgrad, wodurch die Leistung des Heizkessels oder Boilers abnimmt. Eine Rußschicht von etwa 1 mm an der Heizoberfläche des Heizkessels oder Boilers reduziert dessen Leistung um fünf Prozent, wie festgestellt wurde. Eine solche Rußablagerung erhöht die Brandgefahr in dem Rauchkanal oder Kamin hauptsächlich bei einer Befeuerung mit Brennstoffen mit hohem Heizwert bei voller Belastung oder Heizleistung. Zusätzlich ist es möglich, daß sich entweichende Verbrennungsgase in dem Rauchkanal

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oder Kamin entzünden und eine Nachverbrennung hervorrufen. Der größere Teil der Rauchkanäie oder Kamine ist gegen die Verbrennung der Ablagerungen resistent oder widerstandfähig, doch kann nur ein geringer Teil von ihnen der hohen Temperatur . während der Nachverbrennung standhalten.

Weiterhin wurden Versuche unternommen, um die Verbrennung der entwickelten Verbrennungsgase durch Zufuhr von Sekundärluft zu der Oberseite der Verbrennungskammer zu fördern. Es ist jeoch stets die Menge von Primärluft, die allgemein in die Verbrennungskammer zugeführt wird, die die Heizleistung steuert. Der Anteil oder die Menge von Sekundärluft sorgt für den erforderlichen Luftüberschuß unabhängig von dieser Steuerung. Das Ergebnis ist eine verbesserte, in einigen Fällen sogar vollständige Verbrennung, wenn die Temperatur der Verbrennungsgase hoch genug ist, während die Verbrennungsgase bei einer zu niedrigen Temperatur in zunehmendem Maße unter dem Spüleffekt dei Sekundärluft ohne Verbrennung ausgestoßen werden.

Ein anderer Versuch besteht darin, die entwickelten Verbrennungsgase in der Verbrennungskammer für einen längeren Zeitraum zurückzuhalten. Man könnte dabei an eine Verbrennungskammer denken, die in ihrem Fassungsvermögen vergrößert ist, an eine ,, zusätzliche Nachverbrennungskammer und an Verbrennungskammern | mit einem erhöhten Durchflußwiderstand für die entweichenden Gase. Das Ergebnis davon ist jedoch ebenfalls nicht zufriedenstellend, da bei einer langsameren und daher vo¹lständigeren Verbrennung der Wärmeverlust durcli die zusätzliche Heizober- | fläche die Verbrennung in anderer Hinsicht behindert. *|

Zusätzlich zu dieser direkten Steuerung oder Kontrolle der j

Verbrennung wurden Versuche unternommen, die brennbaren Abgase \\

nach dem Austritt oder Entweichen aus der Brennkammer einer [".

Nachbehandlung zu unterziehen. Dieser indirekte Weg der über- 1

wachung oder Steuerung führt jedoch unter anderem zu thermischer Verbrennung, zu einer Oxidation durch einen Katalysator und Filtration. Auf diese Weise ist es zwar möglich, das Ausströmen von brennbarem Material wesentlich zu orringern, doch sind die dadurch entstehenden Kosten sehr hoch. Insbesondere ist die Verwendung eines Katalysators zu beachten, da der Stand der Technik auf diesem Gebiet gegenwärtig beträchtlichen Änderungen unterworfln ist. Ein oxidierender Katalysator reduziert die für die Verbrennung benötigte. Energie, wobei es als Resultat so zu sein scheint, als ob die Verbrennung bei einer niedrigeren Temperatur stattfindet. Es wurde jedoch festgestellt, daß die Verwendung eines festen Bettes mit einem unedlen oder weniger wertvollen Metall auf einem Keramikträger als Katalysator unmittelbar neben d^r Verbrennungskammer nicht den gewünschten Effekt oder $j die gewünschte Wirkung gebracht hat. Obgleich eine gewisse Ver-

j| besserung festgestellt werden konnte, hat sich die Temperatur

U der entwickelten Verbrennungsgase als noch zu niedrig erwiesen.

Ü Es kann erwartet werden, daß in Zukunft bessere Katalysatoren

verfügbar sein werden.

Die Erfindung hat die Aufgabe, die vorstehend erwähnten Schwiele rigkeiten zu vermeiden und ein Verfahren zu schaffen, durch das || eine vollständige Verbrennung von festen Brennstoffen in einfächer und zuverlässiger Weise erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Verbrennungsgase im Gegenstrom zu dem Wärmestrom durch das Glut- U bett geleitet und auf ihre Zündtemperatur erhitzt werden.

[| Durch diese Maßnahme findet eine spontane oder augenblickliche

$ Zündung der verbrennbaren Bestandteile in den Verbrennungsgasen

^f statt, was die Heizleistung und die Kapazität des Heizkessels

oder Boilers unter vollständiger Verbrennung des festen Brenn-

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Stoffes bei im wesentlichen allen Feuerungsbedingungen erhöht. Auf diese Weise können feste Brennstoffe im weitesten Sinne dieser Bezeichnung verwendet werden. Das Glutbett wird durch die Verbrennung aufrechterhalten, wobei kleine aufgekohlte Teilchen, die nach unten fallen, die Verbrennung unter dem Glutbett fortsetzen. Die Heizleistung des Heizkessels oder Boilers kann durch d±· folgenden abhängigen Variablem genau kontrolliert und gesteuert werden, und zwar durch die in die Verbrennungskammer zugeführte Luft, durch die Größe der Oberfläche des Glutbettes und durch die Zugwirkung oder Zugleistung des Rauchkanals oder Kamins.

Vorzugsweise ist ein Raum vorgesehen zwischen dem Glutbett und dem Rauchkanal oder Kamin mit solchen Abmessungen, daß die Verweilzeit der Verbrennungsgase darin für deren vollständige Verbrennung ausreicht, wobei die Verweildauer höchstens zwei Sekunden beträgt.

In Abhängigkeit von der Art des festen Brennstoffes wird vorzugsweise Sekundärluft zu dem Raum zwischen dem Glutbett und dem Rauchkanal oder Kamin zugeführt, die gegebenenfalls vorgeheizt sein kann.

üblicherweise /ird ein Katalysatorbett im Raum zwischen dem Glutbett und dem Rauchkanal oder Kamin vorgesehen, das entweder stationär ausgebildet oder angetrieben sein kann.

Es ist auch zweckmäßig, daß das Glutbett zumindest teilweise auf einer perforierten Struktur, d. h. auf einem Feuerungsrost oder Siebboden ruht, der gegebenenfalls zwangsweise gekühlt oder erwärmt sein kann.

Zusätzlich ist diese Konstruktion vorzugsweise beweglich.

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Weiterhin 1st eine bevorzugte Ausführungsform so ausgebildet/ daß Primärluft zu dem Raum über dem Glutbett zugeführt wird, die gegebenenfalls zwangsweise und/oder vorerhitzt zugeführt wird.

Weiterhin erfolgt die Zufuhr der Verbrennungsgase zu dem Rauchkanal oder Kamin vorzugsweise durch Unterdruck aufgrund der Zucj„irkung des Rauchkanals oder Kamins, wobei der Zug künstlich erzeugt werden kann oder nicht.

Außerdem wird der Weg der Verbnnnungsgase zu dem Rauchkanal oder Kamin vorzugsweise dazu benutzt, um eine Zusatzheizfläche zu schaffen.

Die Erfindung be-ieht sich auch auf eine Verrichtung zum Durchführen des Verfahrens, wobei diese Vorrichtung einen Heizkessel oder Boiler umfaßt mit einem Gitterrost zur Ausbildung eines Glutbettes und mit einem Rauchkanal oder Kamin für die Abfuhr der entv/ickelten Verbrennungsgase und erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß der Raum über dem Rost durch einen Raum unterhalb des Rostes mit dem Rauchkanal oder Kamin in Verbindung steht.

Zu bevorzugen ist es weiterhin, daß der Raum zwischen der Unterseite des Rostes und dem Rauchkanal oder Kamin so bemessen ist, daß die Verweildauer der Verbrennungsgase darin für eine vollständige Verbrennung ausreicht.

Der Raum zwischen der Unterseite des Rostes und dem Rauchkanal oder Kamin ist vorzugsweise mit Einrichtungen für die Zufuhr von Sekundärluft ausgestattet, die mit Einrichtungen für eine Vorwärmung der Sekundärluft verbunden sind.

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.M Es ist weiterhin zweckdienlich, wenn der Rost zumindest teil- ;'

Ί weise mit öffnungen ausgestattet ist und der betreffende Teil ',;

mit den öffnungen außerdem Einrichtungen zum zwangsweisen Kühlen und/oder Erhitzen dieses Teiles aufweist und auch Einrichtungen zum Bewegen des Rostes vorgesehen sind.

Weiterhin ist es zu bevorzugen, daß der Raum über dem Rost mit Einrichtungen zur Zufuhr von Primärluft ausgestattet ist, die mit Einrichtungen zum Vorwärmen der Primärluft verbunden sind.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von in der Zeichnung schematisch dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen. Es zeic η

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Heizkessel oder Boil< : zur Verbrennung von festen Brennstoffen,

Fig. 2 eine Einzelheit des Heizkessels oder Boilers ■>■ Fig. 1 mit einem Katalysator,

Fig. 3 einen Schnitt durch den Heizkessel oder Boile lemäß « Schnittlinie III - III von Fig. 1, >'

Fig. 4 einen Schnitt gemäß Schnittlinie IV - IV von g. 1 und

Fig. 5 einen Schnitt gemäß Schnittlinie V-V von Fig. 2.

Ein typischer Heizkessel oder Boiler für festen Brennstoff umfaßt eine Verbrennungskammer 10, die von einem Wasserr^ntel 11 und einer Isoliert.*? 12 umgeben ist. Die Luftzufuhr w: d durch Ventile 14 und 15 gesteuert, die in der Tür 13 angeorc? et sind,

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in dem ein Zugregler 12 angeordnet ist. ie die Zeichnungen zeigen, wird der direkte Weg von der Verbrennungskammer 10 zu dem Kaminanschluß 16 durch eine Platte 22 verschlossen. Der Raum zwischen der Platte 22 und der Rückwand Ί4 des Heizkessels oder Boilers kann als eine zusätzliche Heizfläche benutzt werden, an der Rippen 23 angeordnet sind. An der Boden des Heizkessels oder Boilers ist ein Gitterrost angeordr. -t, der aus einem offenen Teil 18 und Blindabschnitten 19 und 20 besteht. Der rechte Blindabschnitt oder geschlossene Abschnitt 20 stellt eine Verbindung zu der Platte 22 her, so daß die entwickelten Dämpfe und Gase von der Verbrennungskammer 10 über den offenen Teil des Rostes zu dem Kamin entweichen können. Der geschlossene oder Blindabschnitt des Rostes ist so lang, daß Unverbrannte Rückstände genügend Zeit zur Verbrennung haben ohne jede nennenswerte Abkühlung. Eine Zufuhr von Sekundärluft unter den Rost ist möglich durch öffnungen in einer Platte 21, die den Raum unterhalb des Rostes an der linken Seite begrenzt.

Der Verbrennungsvorgang wird eingeleitet durch Bildung einer rotglühenden Masse auf dem offenen Teil 18 des Rostes unter Zufuhr einer geringen Menge von Brennstoff, was zu dem Glutbett führt. Für einen genauen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es von größter Bedeutung, daß der Rost vollständig durch das Glutbett bedeckt ist. Der Heizkessel oder Boiler kann nun weiter mit Brennstoff gefüllt werden, so daß der das Glutbett berührende Brennstoff durch die intensive Hitze in einen gasförmigen Zustand übergeführt wird. Lediglich ein Teil der entwickelten Dämpfe und Gase wird unmittelbar verbrannt, während der Rest bis jetzt noch nicht seine Zündtemperatur erreicht. Durch die Zugwirkung des Kamins werden al?e in der Verbrennungskammer vorhandenen gasförmigen Substanzen durch das Glutbett hindurchgezogen, was zu einer vollständigen Verbrennung führt.

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Um die Verbrennung auch unter extremen Feuerungsbedingungen oder mit schwer brennbaren Materialien (Eisenbahnschwellen, Gummi usw.) so vollständig wie möglich zu machen, kann ein Katalysator 25, wie schon vorstehend erwähnt am Einlaß zu dem rechten Blindabschnitt 20 des Gitterrostes angeordnet werden. Ein stationäres Bett dient dazu, den Druckabfall so gering wie möglich zu halten, so daß die natürliche Zugwirkung des Rauchkanals oder Kamins ausreicht. Der benötigte Luftüberschuß wird durch eine Zufuhr von (tertiärer) Luft durch ein Rohr aufrechterhalten.

Claims

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PATENTANWALT ',....* \·* -' ^#330σ3ΌΝΝ 1 ' ²⁴ · Mai 1982

Sermany^R

DIPL-INQ. KLAUS-JÜRGEN SCHWARZ S^RALLGE

AKTEN-NR.= ₁ 246/82

VNR: 108 545

Anmelder:

Albert Stienstra
Nassaustraat 5

CB St. Annaparochie
Niederlande

Patentansprüche

M J Verfahren zum Verbrennen von festen Brennstoffen auf dem Glutbett eines schub- oder chargenweise arbeitenden Heizkessels oder Boilers, bei dem die entstehenden Verbrennungsgase einem Rauchkanal oder Kamin zugeführt werden/ dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsgase im Gegenstrom zu dem Wärmestrom durch das Glutbett geleitet und auf ihre Zündtemoeratur erhitzt wenden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Raum zwischen dem Glutbett und dem Rauchkanal oder Kamin vorhanden ist mit derartigen Abmessungen, daß die Verweildauer der Verbrennungsgase darin für eine vollständige Verbrennung ausreicht.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweildauer höchstens zwei Sekunden beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet _t
daß die Sekundärluft zu dem Raum zwischen de.a Glutbett und dem Rauchkanal oder Kamin zugeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärluft vorgeheizt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Katalysatorbett in dem Raum zwischen d-jm Glutbett und dem Rauchkanal oder Kamin angeordnet ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysatorbett bewegt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Glutbett zumindest teilweise auf
einer Art Feuerungsrost oder Lochboden gebildet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Feuerungsrost oder Lochboden zwangsweise gekühlt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Feuerungsrost oder Lochboden zwangsweise erhitzt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Feuerungsrost oder Lochboden bewegbar ist.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Primärluft zu dem Raum über dem Glutbett zugeführt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
die Primärluft zwangsweise zugeführt wird.

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14. Verfahren nach Anspruch '2 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärluft vorgewärmt wird.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung der Verbrennungsgase zum Rauchkanal oder Kamin durch Unterdruck infolge der Zugwirkung des Rauchkanals oder Kamins erfolgt.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugwirkung des Rauchkanals zwangsweise erzeugt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Weg der Verbrennungsgase zu dem Rauchkanal oder Kamin als Zusatzheizfläche verwendet wird.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Oberfläche des Glutbettes verändert wird zur Kontrolle und Steuerung der Heizleistung des Heizkesselr oder Boilers.
19. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Heizkessel oder Boiler mit Gitterrost zur Ausbildung eines Glutbettes und mit einem Rauchkanal oder Kamin für die Ableitung der erzeugten Verbrennungsgase, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum über dem Rost (18) durch einen Raum unterhalb des Rostes mit dem Rauchkanal cder Kamin in Verbindung steht.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen der Unterseite des Rostes (18) und dem Rauchkanal oder Kamin derart bemessen ist, daß die Verweildauer der Verbrennungsgase darin für eine vollständige Verbrennung ausreicht.

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21. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, \{

daß der Raum zwischen der Unterseite des Rostes (18) und dem t|

Rauchkanal oder Kamin mit Einrichtungen für eine Zufuhr von H

Sekundärluft ausgestattet ist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen für eine Zufuhr von Sekundärluft mit Einrichtungen zum Vorwärmen der Sekundärluft verbunden sind.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis £1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rost (18) zumindest teilweise mit Öffnungen versehen ist.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der mit Öffnungen oder Durchbrüchen versehene Teil (18) des Rostes mit Einrichtungen zum zwangsweisen Kühlen ausgebildet ist.
25. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der mit Öffnungen versehene Teil (18) des Rostes Einrichtungen zum Aufheizen aufweist.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß der mit Öffnungen versehene Teil (18) des Rostes Antriebseinrichtungen aufweist.
27. Vorrichtung nach einem Ansprüche 19 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum über dem Rost mit Einrichtungen zur Zufuhr von Primärluft versehen ist.
28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Zufuhr von Primärluft mit Einrichtungen zum Vorwärmen der Primär!uft verbunden sind.
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zum Verändern der Größe der Oberfläche des Glutbettes vorgesehen sind.