DE3235592A1

DE3235592A1 - Brennkammereinsatz fuer heizkessel

Info

Publication number: DE3235592A1
Application number: DE19823235592
Authority: DE
Inventors: Manfred Prof. Dr.-Ing. 6301 Staufenberg Künzel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-09-25
Filing date: 1982-09-25
Publication date: 1984-03-29

Description

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Erfinder: Dr. Manfred Künzel; Ostpreußenstr. 7, 6301 Staufenberg

BRENN KAMMER EINSATZ FÜR HEIZKESSEL PATENT- UND GEBRAUCHSMUSTERBESCHREIBUNG

6301 Staufenberg

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Erfinder: Dr. Manfred Künzel; Ostpreußenstraße 7, 6301 Staufenberg 2, Leiter des. Institutes für Energiewirtschaft und Wärmeübertragung an der Fachhochschule Gießen-Friedberg, Bereich Gießen, Wiesenstr. .14, 6300 Gießen

Brennkammereinsatz für Heizkessel

Gegenstand der Erfindung ist ein Brennsystem, das als Einsatz für Heizkessel in der Größenordnung für Ein- und Mehrfamilienhäuser verwendet werden kann, aber auch als Sonderanfertigung für größere Leistungen geeignet ist.

Bei den herkömmlichen Heizsystemen werden, wassergekühlte Brennkammern verwendet. Die neueste Tendenz ist aber durch die "heiße" Brennkammer gekennzeichnet. Diese Art der Brennkammer ist nicht wassergekühlt und die Rauchgase werden im Gegenzug zur Flamme zurückgeführt, öl bzw. Gas werden in dieser heißen Brennkammer mit wesentlich kleineren Verlusten durch Unverbranntes verbrannt. Dadurch wird eine bessere Ausnutzung der Brennstoffe gewährleistet.

Gegenstand der Erfindung ist die logische Fortsetzung der angetretenden Entwicklungstendenz. Das Brennsystem ist gedacht für alle Hausherren die den Wirkungsgrad ihrer bestehenden Heizungsanlage entscheidend verbessern wollen ohne sich gleich einen neuen Kessel anzuschaffen. Weiterhin kann es zukünftig auch die heißen Brennkammern ersetzen, da es weitere Vorteile bieten kann. Zu diesen gehört vor allem die flammenlose Verbrennung.

Als flammenlose Verbrennung wird die Restverbrennung der noch brennbaren Substanzen der Abgase (CO, H₂) durch katalytischen Einfluß bezeichnet. Als Katalysator dient hierbei feuerfestes Material (dazu einige Beispiele für die empfohlene Zusammensetzung des verwendeten Materials siehe weiter). Durch diese Restverbrennung wird annähernd die vollkommene Verbrennung, ohne Bildung fester Rückstände (Ruß), erreicht.

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ft, Bei den Katalysatoren kann es sich um Stoffe mit unterschiedli-If chem Charakter handeln. Mari unterscheidet hier zwischen Metallen,

iMetalloxiden. Nichtmetalloxiden, Basen, Säuren, aber auch organischen Stoffen. Die Wirkungsweise ist unterschiedlich und erst zum Teil aufgeklärt. Es gibt Katalysatoren, die mit den

Stoffen, deren Reaktion sie "beschleunigen, Zwischenprodukte i

* bilden. Durch die Zwischenproduktbildung erniedrigen Katalyse satoren ihre benötigte Aktivierungsenergie unter Umständen so Ι stark, daß der betreffende Vorgang ohne jede weitere Aktivierung verlaufen kann.

Die reaktionsfähige Zwischenverbindung reagiert mit einem an- ) deren Stoff weiter, so daß im Verlauf der Gesamtreaktion der Kali " talysator wieder frei wird.

( A + KAT —<- A KAT (1)

A KAT + B —— AB + KAT (2)

Die Katalyse läuft exotherm ab und ist in Abbildung (Abb. 3) graphisch dargestellt.

Bei der flammenlosen Verbrennung handelt es sich um eine söge.-· nannte heterogene Kontaktkatalyse, bei der das gasförmigr Reaktionsgemisch über einen festangeordneten Katalysator strömt. Die Reaktionsbesdhleunigung tritt hier bei der Berührung des Reaktionsgemisches mit der Oberfläche des Katalysators ein.

Da bei der normalen Verbrennung durch die übliche Flammeiibildung keine vollkommene Verbrennung erreicht werden kann, treten im Abgas Bestandteile von CO und H₂, sowie Ruß und etliche Kohlenwasserstoffen auf.

Der CO-Bestandteil gilt im allgemeinen als sehr reaktionsträge, vereinigt sich jedoch durch Anhebung des Energieniveaus katalytisch mit Wasserstoff zu Kohlenwasserstoff oder Alkohol. Diese Eigenschaft wird z.B. mit Hilfe des im feuerfesten Material enthaltenen Chromoxid (CrpO^) hervorgerufen.

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NACHGEREICHT

-3-Es kommt hierbei zu folgender Reaktion;

CO ~ 2H„

Cr₂O₅-KAT

CH₃OH

(3)

Dieses gebildete Methanol (CH-,ΟΗ) verbrennt seinerseits und bildet als Endprodukt Kohlendioxid und Wasserdampf.

,0H + 3/2 O₂ — CO₂ + 2H₂C

(4)

Bei diesen chemischen Reaktionen verbraucht sich der Katalysator nicht.

Auswahl von katalytisch wirkenden natürlichen feuerfesten Materialien.

BerBrennkaminereinsatz soll hohen Hitzegraden gegenüber unempfindlich sein und den physikalischen und chemischen Einwirkungen der mit ihnen in Berührung kommenden Stoffe (Verbrennungsprodukte) und der neuentstandenen Verbindungen widerstehen können«

Neben hier bereits erwähnten Aufgaben, wird versucht durch gezielte Konstruktion und Materialzusammensetzung einer inneren Brennkammer (heißen Brennkammer) eine Verbesserung des Kesselwirkungsgrades und somit eine bessere Energieausnutzung zu erreichen. Konkret soll dies erfolgen durch:

- Flammenlose Verbrennung

- Veränderung des Heizverhaltens des Heizkessels

- Erhöhung der Strahlungsübertragung mittels einer inneren Brennkammer. Dabei soll die Strahlungsfläche ange-

I NACHGEREICHT

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nähert dem Strahlungsverhalten des Schwarzen Körpers entsprechen.

- Gezielte Umlenkung und Verwirbelung der Abgase. Dadurch wird erreicht, daß die Abgase nach Austreten aus der inneren Brennkammer sich langer im eigentlichen Brennraum des Kessels befinden und dort mehr Wärme an das Heizmedium abgeben können.

An die chemische Zusammensetzung der feuerfesten Stampf/Gießmasse werden folgende Anforderungen gesetztϊ

- In der Materialzusammensetzung sollen die wenig aktive Kieselsäure (SiO₂) und Aluminiumoxid (Al₂O^) nicht über^ ragen (sollen unter 35 % bleiben).

- die feuerfeste Masse soll die Metalloxide mit der ver-. änderlichen Valenz beinhalten (z.B. Fe, Ni oder andere);

- Diese haben sich als katalytisch wirkende Materialien bewährt.

- Die Masse soll die Promotoren beinhalten. Diese erhöhen die Reaktivität des Grundkatalysators.

- Das Material soll die hohe Temperatur und ebenso die Temperaturschwankungen aushalten.

- Das Material soll billig und zugänglich sein.

Die Anwendung; von feuerfesten Materialien in dem Bereich der Heizungstechnik

In der Heizungstechnik werden feuerfeste Materialien nur in Heizkesseln verwandt. Bisher wurden Schamottesteine, die als Ausmauerung dienten, meistens nachträglich bei Umstellung des Heiz-kese«!-? von festem auf flüssigen oder gasförmigen Brennstoff eingebaut, da die Form des Verbrennungsraumes kein freies Ausbrennen der Ölflamme zuließ. (Die Schamottesteine verhindern das Aufschlagen der Flamme auf Kesselteile und die Bildung von Ölkoks, sie tragen zur besseren Flammenführung, zur gleichmäßigen Wärmeverteilung bei. Sie haben ferner die Aufgabe einer Verbrennungshilfe dadurch, daß die heißen Steine verspritztes und nachtropfendes Öl verdampfen und so zur Verbrennung bringen).

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Die Wahl des Grundmaterials als Katalysatorträger

Als Katalysatorträger ist-der Schamott sehr gut geeignet. Er ist jedenfalls besser, als eine Betongießmasse. Er ist:

- porös

- frei von "Verunreinigungen, die sogar negative katalytische Wirkung haben könnten

- er tritt mit dem Katalysatoi' nicht in die Reaktion -^=Tr=I - wirkt selbst schwach katalytisch

Eine beliebige andere Stampfmasse die den Anforderungen des O Betriebes entspricht, kann ebenfalls als Katalysatorträger fungieren.

Beispiel einer Materialzusammensetzung:

DeriBrennkammereinjatzwird aus einem feuerfestem Material (z.B. einer feuerfesten Betonstampfmasse) hergestellt. Es handelt sich um eine Masse, die unter der Bezeichnung RG 166 im Handel erhältlich ist. Die Feuerfestigkeit dieser Masse liegt bei ca. 1600 ⁰C.

Das Material weist folgende Zusammensetzung auf; ca. 22 % Al₂O₃ ca. 36 % Cr₂O₃ ca. 15 % FeCO₃ ca. 0,4 % TiO₂ ca. 3,3 % SiO₂ ca. 15 % MgO ca. 8,1 % CaO ca. 0,2 % Alkalien

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Eine andere Variante wäre eine Maase mit der Bezeichnung: PYROLITH AA/CR-BUD. Die Feuerfestigkeit dieser Masse liegt ebenfalls bei ca. 1600 ⁰C.

Die Zusammensetzung dieser Masse ist: ca. 35 % Ai^O^, ca. 15
ca. 23

SiO₂

C--

ca. 10 ⁸S -i'egO-x

:Es ist aber empfehlung£.wert die Oberfläche des Materials, das 5in Berührung mit der Flamme kommt zu aktivieren.

:Die_ Aktivierung des Grundmaterials

^FaIIs das Material nicht die erwünschte Zusammensetzung besitzt, jianh besteht die Möglichkeit die katalytische Wirkung der Oberfläche durch Aktivierung zu erhöhen. Dazu kann man die Me^ talloxide mit veränderlicher Valenz verwenden und zwar z.B. von:

- Nickel (Ni)

- Eisen mit Promotoren (Fe -f Promoter)

- Vanadium (v)

- Cerium (Ce) und Thorium (Th)

- Cerium (Ce) mit den Elementen der Seltenerde

oder auch mit reinen Elementen wie z.B.:

- Paladium (Pd)

- Silber (Ag)

- Nickel (Ni)

- Kupfer (Cu)

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Jetziger Stand der Technik im Bereich der Heizkesseleinsätze

Der jetzige Stand der Technik zeigt die fortschreitende Tendenz in Richtung heiße Brennkammern analog der Bauweise von großen Dampferzeugern mit Zyklonfeuerung oder mit ein- oder zweistufigen Brennkammern mit flüssigem Ascheentzug. Diese Art von Brennkammern arbeitet mit höchstem feuerungstechnischem Wirkungsgrad schon alleine deswegen, weil die Wärmeabgabe erst nach Beendigung des Verbrennungsprozesses erfolgt.

Die sich auf dem Markt befindlichen Heizkesseleinsätze haben den Weg der katalytischen Wirkung noch nicht voll eingeschlagen und bringen dem Heizungsbauer oder dem Hausherr einige Schwierigkeiten bei der Instalation.

Die Erfindung des Brennkammereinsatzes ist nach dem ,-Jetzigen Stand der Technik das wirksammste im Betrieb und einfachste beim Einbau in seiner Kategorie.

Die Wirkungsweise des Brennkammereinsatzes

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es ein Brennsystem zu konzipieren, das die Wirkungsweise von üblichen Heizkesseln in der Größe für Ein- und Mehrfamilienhäuser verbessert und einen Ein/Ausbetrieb ohne zusätzlichen Regel- und Steuerungsaufwand ermöglicht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird näher erläutert: In der Zeichnung: Figur 1 - ein Querschnitt durch einen Brennsystem gemäß der Erfindung. Figur 2 - einen Längsschnitt durch das Brennsystem gemäß der Erfindung.

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DerBrennkammereinsatzbesteht einschließlich der Befestigung aus mehreren Teilen, die-eine solche Größe aufweisen, daß sich sie durch die übliche Heizkesselöffnungen in den Brennraum eines Heizkessels oder eines Wärmeerzeugers eingebracht und dort in bestimmter Weise zusammengesetzt angeordnet werden können. Der Brenner des Heizkessels oder eines Wärmeerzeugers feuert nun in einen durch den Einsatz stark verkleinerten Raum der heißen Brennkammer und erwärmt das feuerfeste Material des Einsatzes bis auf Rotglut (durch Messungen und später durch die rechnerische Simulation der Wärmeübertragung mit Hilfe einer Rechenanlage ist ca. 850 ⁰C ermittelt worden). Diese Temperatur ist natürlich von einigen Faktoren abhängig an die hier nicht näher eingegangen ist. Die aus dem Brennkammer einsatz austretenden Rauchgase gelangen dann in den eigentlichen Brennraum des Heizkessels und von dort über die üblichen Abgas führung en in den Kamin.

Alle Überlegungen, die bisher gemacht worden sind, beziehen sich auf Korrosionen während des Betriebes. Aber gerade bei Stillstand des Kessels muß beachtet werden, daß nicht durch Einbruch von Sauerstoff auf der Wasserseite oder durch Schwitzwasserbildung auf der Rauchgasseite Stillstandskorrosionen auftreten.

Die Bildung von SO, aus SO₂ setzt freien molekularen Sauerstoff voraus. Je geringer demnach der Sauerstoffgehalt der Rauchgase bzw. der Luftüberschuß ist, desto kleiner ist der Gehalt an SO, und damit desto niedriger der Säuretaupunkt. Man sieht daraus, wie wichtit es ist Heizöl mit niedrigem Luftüberschuß zu verbrennen; dies wird durch den Brennkammereinsatz ermöglicht.

Die übliche jährlich anfallende Einstellung des Brenners berücksichtigt nur die Fahrweise des Kessels im vollangelaufenen Verbrennungszustand. Der somit ermittelte feuerungstechnische Wir-

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kungsgrad enthaliv-nicht den Zustand beim Anfahr- und Abschaltvorgang des Brenners. Das bedeutet, daß die CO-* und Bildung der höherwertigen Kohlenwasserstoffe überhaupt nicht durch diese althergebrachte Methode erfaßt wird.

Aus dem vorangesagten und aus der Arbeitsweise des Heizkessels im Verlauf einer Heizungsperiode folgt nun die Kurzfassung der Wirkungsweise und der Vorteile des Brennkammereinsatzes;

- Erzielung einer wesentlich kleineren Abgastemperatur ohne Rußbildung und ohne Gefahr der Niedertetaperaturkorrosion

- Verkleinerung der Bereitschaftsverluste und dadurch die Steigerung des Gesamtjähreswirkungsgrades

- energieeinsparende und gleichzeitig umweltfreundliche Betriebsweise

- keine Behinderung bei der jährlich anfallenden Reinigung und Revission des Heizkessels

- trotz der niedrigeren Abgastemperatur kleinere Korrosionsgefahr des Schornsteines

- Verminderung der für den Verbrennungsvorgang benötigte Aktivierungsenergie und dadurch indirekte Heizwerterhöhung des Brennstoffes

- kleinere T-emperaturschwankungen im Raum der Brennkammer und demzufolge höhere Lebensdauer des Heizkessels

- die heiße Brennkammer führt zu einer Verkleinerung der Luftüberschußzahl, was nicht nur dem Gesamtjahreskesselwirkungsgrad zu gute kommt, sondern die SO,- Bildung reduziert

- die heiße Fahrweise der Brennkammer verhindert Ruß- und Glanzrußbildung im gesamten Kesselsystem und macht diesen gegen das eventuelle Nachtropfen der Öldüse unempfindlich

- durch die katalvtisch wirkende keramische Oberfläche des Brennkammereinsatzes wird sowohldie CO-Bildung als auch die der höherwertigen Kohlenwasserstoffe stark vermindert.

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Erfinder: Dr. Manfred Kanzel, Ostpreußenstr. 7, 6301 Staufenberg 2, Leiter des Institutes für Energiewirtschaft und Wärmeübertragung an der Fachhochschule Gießen-Friedberg, Bereich Gießen, Wiesenstr. 14, 6300 Gießen

BRENNKAMMEREINSATZ FÜR HEIZKESSEL Patentansprüche:

t.JBrennkammereinsatz für Heizkessel,

gekennzeichnet durch ein zylindrisches Rohr (1 ) und ein zylindrischer Prall- und '" Lenkstein (2), die aus einem feuerfesten Material mit katalytisch wirkenden Anteilen bestehen oder daß es als Grundmaterial für die katalytische Wirkung aktiviert sind, die sich in gewissem Abstand vor dem Flammrohr eines Ölbrenners oder vor der Kauptdüse eines Gasbrenners befinden, wobei die Achse dieses Rohres möglichst in der Verlängerung der Achse des Flammrohres bzw. der Hauptdüse eines Gasbrenners liegen soll.

iBrennkamaiereinsatz für Heizkessel nach Anspruch 1, /dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung des zylindrischen Rohres O) und eines zylindrischen Prall- und Lenksteines (2) eine Zweistufenverbrennungskammer bilden, wobei in der ersten Stufe das einströmende Heizöl-Luft- oder Brenngas-Luft-Gemisch zu intensiver Verwirbelung gezwungen wird und infolge eines ausgeglichenen Säuerstoff-Brennstoff-Verhältnisses verbrennt und in der zweiten Stufe die Verkokkungsrückstande, uxc uuouijuui σ wGi^ υυαΓ

tuelles Nachtropfen der Düse nach Beendigung der Brennperiode eines Ölbrenners entstehen, restlos verbrannt v/erden

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3. Brennkammereinsatz für Heizkessel nach Anspruch 1 und 2,

dadurch gek-ennzeichnet, daß die Befestigung des zylindrischen Rohres (1) und eines zylindrischen Prall- und Lenksteines (2) und deren Zentrierung in der Verlange! ■"·.: g der Achse des Flammrohres bzw. der Hauptdüse eines Gastrenners in dem Raun einer Brennkammer eines Heizkess·''' s oder eines Wärme erz eugers mit Hilfe eines !Halte- und ::3irtriergestells (4) bis (12) erfolgt.

Brennkammereinsatz für Heizkessel nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein zylindrisches Rohr (2) und ein zylindrischer Prall- und Lenkstein (2) von zwei Schellen (3) gehalten und durch ein Zentriergestell (4) bis (11) in dem jeweiligen Brennraum zentriert werden.

Brennkammereinsatz für Heizkessel nach Anspruch 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet,; daß ein Zentriergestell (4) bis (11), welcher über jeweils zwei Stützen (4) bestehend aus einem Gewindestück (5), welches in ein Rohrstück (6), welches am anderen Ende einen Dorn (7) besitzt, mit Hilfe einer aufgesetzten Mutter (8) gehalten wird und dabei Gesamtgebilde bestehend aus (1) und (2) durch Drehung der vier Gewindestücke (5) in dem jeweiligen Brennraum zentriert und durch Rohrstücke (6), dei paarweise mit einem Versteifungsstreber (9), mit einem Stabilisierungsrohr (10) und mit zwei Zapfen (11) in der richtigen Position fixiert werden.

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dadurch gekennzeichnet, daß das gasförmige Reaktionsgemisch über einen fest angeordneten Katalysatorträger mit einem Katalysator, der durch (1) und (2) gebildet ist, strömt, wobei dieser Katalysator als Metalloxide mit veränderlicher Valenz oder als reines Element Anwendung findet*

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8.

Brennkammereinsatz für Heizkessel nach Anspruch 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivierung des Katalysatorträgers mit den Metalloxiden mit veränderlicher Valenz z.B* mit Nickel (Ni), Eisen mit Promotoren (Fe + Promotor), Vanadium (V)j Cerium (Ce) und Thorium (Th), Cerium mit den Elementen der Seltenerde aber auch mit reinen Elementen v/ie z.B. Paladium (Pd), Silber (Ag)_? Wickel (Ni) oder Kupfer (Cu) verrichtet wird.

Brennkaminereinsatz für Heizkessel nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Materialzusammensetzung die wenig aktive Kieselsäure (SiOp) und Aluminiumoxid (Al₂Cv) nicht überragen und in der Regel unter 35 % bleiben soll, wobei die feuerfeste Masse der Metalloxide mit der veränderlichen Valenz und ebenso die Promotoren, die die Reakticität des Grundkatalysators erhöhen, einen wesentlichen Bestandteil der Masse ausmachen.