DE3507962A1

DE3507962A1 - Feuerstaette fuer waermeerzeuger wie heizkessel, heizoefen o.dgl.

Info

Publication number: DE3507962A1
Application number: DE19853507962
Authority: DE
Inventors: Gerhard 6000 Frankfurt Klee; Heinz 8752 Mainaschaff Knechtel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-03-06
Filing date: 1985-03-06
Publication date: 1986-09-11
Also published as: ATA53986A; AT400982B; DE3507962C2

Description

Die Erfindung betrifft Feuerstätten für Wärmeerzeuger
wie Heizkessel, Heizöfen od.dgl., insbesondere mit Beheizung durch gasreiche Festbrennstoffe wie Holz, Braunkohle, Torf od.dgl., denen sowohl Primärluft zur Verbrennung der festen Bestandteile auf einem Brennstoffrost als auch getrennt davon Sekundärluft zur Verbrennung der aus dem Feststoff-Feuerbett austretenden flüchtigen Bestandteile wie Rauch zugeführt wird. Gegebenenfalls kann die Erfindung jedoch auch mit Vorteil bei Feuer stätten mit Beheizung durch gasarme Brennstoffe angewendet werden.
Unter Feuerstätte soll im folgenden vor allem der Raum verstanden werden, in dem sich die Oxydation des Brenngutes vollzieht, wie dies z.B. in Warmluftzimmeröfen, in Warmwasserheizungskesseln od.dgl. der Fall ist. Um besonders bei gasreichen Brennstoffen eine möglichst gute Verbrennung herbeizuführen, wird dem Feuer neben der Primärluft, mit welcher die festen Bestandteile des Brennstoffes reagieren, auch Sekundärluft zugeführt, mittels welcher die aus dem Feststoff-Feuerbett durch Pyrolyse abgespaltenen flüchtigen Anteile des Brenngutes verbrannt werden. Bei solchen, im allgemeinen mit natürlichem Zug betriebenen Feuer stätten ist bisher insbesondere die Verbrennung der flüchtigen Bestandteile des Brennstoffes mit Hilfe der Sekundärluft häufig mangelhaft, was sich dadurch äußert, daß unverbrannter Brennstoff in Form von CO-haltigem Rauch die Feuerstätte verläßt. Wäre die Oxydation des Brenngutes vollkommen, dann dürften sich im Abgas der Feuerstätte nur Kohlendioxyd, Wasserdampf und eventuell die Oxyde gewisser R in Brennstoff oder Verbrennungsluft enthaltenier Elemente wie Schwefel, Stickstoff und dergleichen finden.
um die Verbrennung der flüchtigen Heizgase zu verbesseren, sind Katalysatoren vorgeschlagen worden, welche z.B.
feinverteiltes Platin enthalten Der Katalysator sorgt dafür, daß die flüchtigen, reaktionsfähigen Bestandteile des Brenngutes intensiver oxydiert werden als dies ohne Katalysator der Fall wäre. Nachteil des Katalysators ist sein hoher Preis, seine Empfindlichkeit gegen Vergiftung und Verschmutzung und seine begrenzte Lebensdauer. Es ist auch bereits bekannt, die Verbrennung der Heizgase dadurch zu verbessern, daß Primär- und Sekundärluft erwärmt werden (siehe z.B. die DE-PS 28 12 962, Spalte 3, Zeile 53 oder die DE-PS 30 31 184, Spalte 2, Zeile 43). Demgegenüber hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, eine möglichst vollständige Oxydation von vorzugsweise gasreichen Festbrennstoffen zu gewährleisten. Im folgenden wird zum besseren Verständnis der Erfindung zunächst erläutert, warum Feuerstätten nach dem Stand der Technik ohne Katalysator und ohne Gebläse flüchtiges Brenngut nur unvollkommen verbrennen.
Wird in einer solchen Feuerstätte das Brennstoffbett entzündet, so entsteht in kurzer Zeit brennbarer Rauch.
Diser bewegt sich unter dem Einfluß des Schornsteinzuges in Richtung Schornstein. Kurz über dem Feuerbett wird dem Rauch Sekundärluft zugeführt, die in der Regel kalt ist, weil sie ohne weitere Maßnahmen häufig unmittelbar durch die Feuertür unter dem Einfluß des Schornsteinzuges in die mit Rauch gefüllte Feuerstätte strömt. Rauch und Sekundärluft sind im Bereich dieser Lufteinführung schlecht durchmischt.
Langgestreckte, unverbrauchte Sekundärluft-"Fahnen1, strömen neben unverbrannten, langgezogenen Rauch-"Wolken" dem Schornstein zu. An ihrer Berührungsfläche sollen sich die Rauch "walken" mit dem Sauerstoff der Sekundärluft unter Erzeugung von WärmeFhemisch verbinden. Dies ist nur möglich, wenn die Grenzfläche zwischen Sekundärluft und Rauch so heiß ist, daß der Oxydationsprozeß gestartet wird, daß also die Zündtemperatur der Grenzfläche erreicht wird. Diese hohe Temperatur herrscht jedoch bei Feuer stätten nach dem Stand der Technik nur in wenigen Bezirken des Rauchstromes. Die anderen Bezirke, in denen die Zündtemperatur nicht erreicht wird, kühlen sich häufig unter Abgabe von Nutzwärme beim Weg zum Schornstein ab und verlassen die Feuerstätte als unverbrannter Rauch. Bei vielen Feuerstätten nach dem Stand der Technik ist auch der Weg des Rauches zwischen dem Ort der Sekundärluftzuführung und dem Schornstein zu kurz. Hier können die Rauch-"walken" zwar brennen, der Oxydationsprozeß kann jedoch nicht beendet werden, weil die Gase beim Eintritt in den Schornstein unter die Zündtemperatur der Grenzschicht abgekühlt werden. Auch hier entweicht aus dem Schornstein Rauch.
Die vorliegende Erfindung will nun erreichen, daß die Zündtemperatur der Grenzschicht zwischen dem flüchtigen Brenngut und der Sekundärluft in Feuerstätten mit natürlichem Zug immer gewährleistet ist. Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Sekundärluft vor ihrem Eintritt in denRauchstrom auf eine Temperatur zu erhitzen, welche gleich oder höher ist als die Zündtemperatur der Grenzschicht zwischen Sekundärluft und Rauch. Die Sekundärlufttemperatur muß um so höher sein, je kälter die Rauchtemperatur ist.
Durch diese Maßnahme wird die Temperatur im Innern der Grenzschicht auf Zündhöhe gebracht, obgleich die dem Rauch zugekehrte Fläche der Grenzschicht zum Zünden zu kalt ist.
Nebeneinanderfließende Ströme von Rauch und heißer Sekundärluft könnten sich nach genügend langem Weg, innerhalb dessen die Zündtemperatur der Grenzschicht aufrechterhalten wird, miteinander vollständig chemisch verbinden. Je nach Ausgestaltung der Sekundärluftzufährung müßte diese "Ausbrennlänge sehr lang sein. Eine Feuerstätte mit langem Rauchweg ist aber teurer herzustellen als eine Feuerstätte mit kurzem Rauchweg. Daher wird eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung darin erblickt, den erhitzten Sekundärluftstrom durch mehrere Löcher, deren Querschnitt nicht wesentlich größer sein soll als 5 cm21 dem Rauchstrom zuzuführen. Im Bereich dieser Einblasöffnungen soll der Rauchstrom bei einem Schornsteinzug von 1 mm WS höchstens 20 bis 30 cm dick sein.
Zweckmäßig ist erfindungsgemäß auch eine Anordnung, bei welcher der Rauch das Zentrum einer runden oder vieleckigen Ringkammer passiert, auf deren zentraler Begrenzungsfläche die Einblasöffnungen der Sekundärluft angeordnet sind. In diesem Fall können die Wände, welche die Ringkammer gegen das Zentrum der Kammer abgrenzen und in denen die Einblaslöcher angeordnet sind, voneinander einen Abstand von 40 bis 50 cm haben (siehe Abb. 3 - 7). Es Die Summe aller Lochquerschnitte, über welche die Sekundärluft eingeblasen wird, muß dabei so groß sein, daß der bei gegebenem Zug von z.B.
1 mm WS sich einstellende Sekundärluftdurchfluß ausreicht, um den bei maximaler Rauchentwicklung entstehenden Rauch vollständig zu oxydieren.
Eine Sekundärlufteinführung über mehrere Löcher bewirkt, daß der Rauch schon auf einem relativ kurzen Weg vollständig verbrennt. Je kleiner die Einblasöffnungen sind, um so kürzer ist der Weg der Rauchverbrennung und umso geringer kann die Höhe der Feuerstätte sein. Eine besonders vorteilitte Form der Sekundärlufteinleitung ist erfindungsgemäß wie folgt ausgebildet: Mindestens 90 % des maximal notwendigen Sekundärluftdurchflusses wird in Form vieler Luftstrahlen in einer Zone in den Feuerraum geführt, welche so hoch über dem Feststoffbett liegt, daß Festbestandteile nicht in den Sekundärluftstrom hineinragen können. Dieser Sekundärluftdurchfluß von 90 % oder mehr des maximal nötigen Durchflusses kann mit Hilfe eines Drosselorganes verändert werden. In einer Entfernung, innerhalb welcher die Rauchoxydation abgeschlossen ist, wird eine zweite Einblaszone angeordnet, durch welche höchstens 10 % der maximal notwendigen Sekundärluft in deeuerraum geleitet wird. Dieser Luftdurchfluß ist nicht variabel.
Mit Hilfe von Hochtemperatur-Thermometern wird die Rauchgastemperatur erfindungsgemäß vor und nach der zweiten Einblasstelle gemessen. Besteht hierzwischen ein Unterschied, so ist dies ein Indiz dafür, daß hinter der zweiten Einblasstelle noch eine Oxydation stattgefunden hat, daß also die Rauchverbrennung in und nach der ersten Einblasstelle nicht vollkommen gewesen war. Man kann den variablen Anteil nun so lange verändern, bis die Temperaturdifferenz an der zweiten Einblaszone nahezu Null ist. Diese Situation kann nur auftreten, wenn der Rauch in der Haupteinblaszone nahezu vollständig verbrannt ist. Selbstverständlich kann diese Temperaturdifferenz auch mit Hilfe eines RBglers aufrechterhalten werden. Die Erfindung schlägt hierfür einen Reglers ohne Hilfsenergie vor.
Der Sekundärluftstrom kann an sich auf verschiedene Weise erhitzt werden. Obgleich denkbar ist, hierzu z.B. einen mit Gas geheizten Wärmeaustauscher zu verwenden, ist es erfindungsgemäß besonders zweckmäßig, die innerhalb der Feuerstätte erzeugte Verbrennungswärme des Brennstoffes hierzu zu verwenden. Diesem Ziel dient erfindungsgemäß die Maßnahme, die Feuerstätte zu isolieren, damit sie möglichst wenig Wärme verliert und innerhalb dieser isolierten Feuerstätte WRZE=X Wärmeaustauscher anzuordnen, mit welcher die Sekundär luft erhitzt wird und, falls notwendig, auch die Primärluft.
Eine Anordnung, bei welcher den entstehenden Verbrennungsprodukten nur soviel Wärme entzogen wird, wie zur Aufheizung der Verbrennungsluft notwendig ist, nicht jedoch weitere Wärme, welche z.B. zu Heizungszwecken genutzt wird, entwickelt innerhalb des Feuerraumes die maximal mögliche Temperatur.
Die Mittel, mit welchen den erhitzten Verbrennungsprodukten Nutzwärme, z.B. zur Erzeugung von Warmluft, Warmwasser oder dergleichen, entzogen wird, können auf verschiedene Weise ausgeführt werden. Um die höchstmögliche Temperatur innerhalb des Feuerraumes herzustellen, ist es erfindungsgemäß zweckmäßig, wenn die aus dem Feuerraum entweichenden heißen Abgase bei oder vor ihrer Nutzung über die Außenwände des Feuerraummantels bzw. Reaktionsrohres geleitet werden. Auf diese Weise wird der trotz Wärmeisolierung unvermeidbare Energieverlust durch die Feuerraumwand hindurch verkleinert.
Als eine weitere Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen werden, die heißen Abgase unmittelbar nach Verlassen des Feuerraumes und bevor ihnen Nutzwärme entzogen wurde, ein aus vorzugsweise mittelkörnigem, schadstoffbindenden Granulat bestehendes geschlossenes Reaktionsbett (Schadstoffreaktor) passieren zu lassen, welches auf diese Weise eine Temperatur zwischen 7000C und 11000C annimmt. Bei dieser Temperatur verbindet sich z.B. erhitzter Kalk unter Bildung von Schwefelkalziumverbindungen besonders gut mit eventuell im Rauchgas enthaltenen Schwefeloxyden, vor allem Schwefeldioxyd.
Auf diese Weise kann man den Schwefelgehalt der Abgase mit geringen Mitteln senken. Aber auch andere gasförmige umweltschädliche Bestandteile des Abgases, welche mit Kalk oder anderen im Schadstoffreaktor untergebrachten Stoffen, wie Aktivkoks oder dergleichen reagieren, können von der Umwelt ferngehalten werden.
In der Zeichnung ist die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen beispielsweise veranschaulicht. Es zeigen Fig. 1 eine Feuerstätte (Wärmeerzeuger) schematisch in einem senkrechten, rechtsseitig ausgebrochenem Schnitt, Fig. 2 einen Teil-Querschnitt nach der Linie II - II der Fig. 1, Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der Feuerstätte mit herausgezeichnetem Regler, Fig. 4 eine dritte Ausführungsform der Feuerstätte, ebenfalls mit herausgezeichnetem Regler, Fig. 5 eine vierte Ausführungsform der Feuerstätte in ihrem mittleren Teil, Fig. 6 einen abgebrochenen Querschnitt durch den unteren Teil der Feuerstätte nach Fig. 4, und Fig. 7 einen abgebrochenen Querschnitt durch einen Teil der Feuerstätte nach Fig. 5.
Der in Fig. 1 und 2 dargestellte Wärmeerzeuger hat einen Feuerraum 1, der sich erfindungsgemäß im Innern eines z.B.
im Querschnitt viereckigen Reaktionsrohres 2. befindet, welches aus gut warmedämmendem Material hergestellt ist, dessen mittlere Wärmeleitfähigkeit unter ca. 0,09 W/mK liegen soll.
Innerhalb des Reaktionsrohres 2 vollzieht sich die gesamte Oxydation des Brennstoffes. Das Reaktionsrohr 2 umschließt einen Wärmeaustauscher 3, welcher an seinem oberen Ende über eine Rohrleitung 4 mit der zu erhitzenden Sekundärluft beschickt wird. Über nicht näher dargestellte Mittel kann der Sekundärluftdurchfluß verändert werden. Nach dem Eintritt durch die Roxh Rohrleitung 4 strömt die Sekundärluft im Wärmeaustauscher 3 akwaxtsy erfindungsgemäß abwärts, passiert eine in diesem angeordnete Zunge 3"', wird etwa in Höhe eines Brennstoffrostes 5 entlang der Zunge 3"' wieder nach oben geführt, tritt in einen zum Wärmeaustauscher 3 gehörenden Nachheizraum 3" über und strömt durch mehrere Lochreihen 3' in den Feuerraum 1 hinein.
Im unteren Teil des Reaktionsrohres 2 befindet sich der Brennstoffrost 5, welcher über eine in der Zeichnung nicht näher dargestellte Öffnung z.B. mit Braunkohle beschichtet wird. Unterhalb des Rostes 5 ist erfindungsgemäß ein Primärluftverteiler 6 angeordnet, welcher z.B. aus Blech in Doppelschalenform ausgeführt ist. über eine Rohrleitung 7 wird die gegebenenfalls drosselbare Primärluft in den Verteiler 6 geleitet. Von dort tritt sie über eine in der Innenschale des Verteilers 6 angeordnete geschlossene Lochreihe 6' in den Feuerraum ein. Da der untere Bereich des Verteilers 6 und ein Teil der Rohrleitung 7 mit heißen Rauchgasen in Berührung kommt, wird die Primärluft etwas erwärmt; dies begünstigt die Verbrennung und den Pyrolyseprozeß im Feuerbett. Unterhalb des Rostes 5 wird innerhalb der Innenschale des Verteilers 6 ein hier nicht näher dargestellter Aschenkasten untergebracht, der über eine angepaßte Öffnung ins Freie gezogen werden kann.
Nachdem auf den Rost 5 das Brennstoffbett aufgeschüttet und entzündet worden ist, bewegen sich die flüchtigen Brennstoffbestandteile in Form von warmem Rauch nach oben, passieren eine jetzt offene Bypassklappe 8, einen Verteiler 9 und gelangen über ein Abgasrohr 10 zum Schornstein.
Der PrimäduftdurchfluB a in der Leitung 7 ist auf maximale Größte eingestellt, der Sekundärluftdurchfluß in der Rohrleitung 4 auf eine der Rauchentwicklung angepaßte Größe, die am Anfang des Brennprozesses also niedrig ist.
Da das Feuerbett und der Rauch dank der Wärmedämmung durch das Reaktionsrohr 2 kaum Energie verlieren, erhitzt sich der Raum im Innern des Reaktionsrohres 2 rasch, wodurch auch die Temperatur der Sekundärluft schnell erhöht wird. Hat die Temperatur der Sekundärluft die Zündtemperatur des Rauches erreicht, dann fängt der Rauchstt m in der Höhe der Lufteinblaslöcher 3' an, zu verbrennen. Die Verbrennung ist innerhalb des Raumes zwixchen den Einblaslöchern 3' und der oberen Kante des Reaktionsrohres 2 abgeschlossen, wodurch dieser Raum schnell heiß wird.
Bei einer bestimmten Temperatur innerhalb des Abgasrohres 10, welche ein Maß für die Feuerleistung ist, wird die Bypassklappe 8 geschlossen, und die heißen Abgase bewegen sich erfindungsgemäß in einem Ringraum 2' um das Reaktionsrohr 2 herum nach unten; dort treten sie in einen unteren Verteiler 11 ein und gelangen über ein Rohrregister 12, über den oberen Verteiler 9 und über das Abgasrohr 10 zum Schornstein.
Bei der gesamten Strömungsbewegung nach Verlassen des Reaktionsrohres 2 umspülen die heißen Abgase wärmeübertragende Wände, auf deren anderer Seite sich z.B. Wasser zum Betrieb einer Heizung befindet. Das Rücklaufwasser der Warmwasserheizung tritt z.B. durch eine Öffnung 13 in den Wärmeerzeuger ein, das Vorlaufwasser verläßt ihn durch Auslässe 14 und 15.
Eine solche Warmwasserheizung ist nur ein vorteildEtes Beispiel für die Ausnutzung der Abgaswärme. Die heißen Abgase können auch auf andere Weise genutzt werden.
Es ist zwar vorteilhaft, die heißen Abgase um das Reaktionsrohr 2 herum nach unten zu lenken, um den Energieverlust durch die Wand des Reaktionsrohres hindurch zu verkleinern, jedoch kann man dasselbe Ziel auch z.B. mit dickeren Reaktionsrohrwänden erreichen. Bei einem so gestalteten Reaktionsrohr können die heißen Abgase auch am oberen Rand des Reaktionsrohres abgezogen und einer Nutzung zugeführt werden.
Es kann erfindungsgemäß zweckmäßig sein, den oberen Rand des Reaktionsrohres 2 mit einer Prallplatte 22 aus Blech teilweise abzudecken, um den Weg des brennenden Rauches (Ausbrennlänge) innerhalb des Reaktionsrohres 2 zu verlängern.
Die gesamte Feuerstätte ist von einem Isoliermantel 23 umgeben, um die Wärmeverluste nach außen hin zu verkleinern.
In Fig. 3 ist eine weiterentwickelte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Das Reaktionsrohr 2,1 hat hier keinen viereckigen Querschnitt wie in Fig. 1, sondern einen runden Querschnitt. Auch die Wärmeaustauscher sind nicht einseitig wie gemäß Fig. 1 im Reaktionsrohr untergebracht, sondern rotationssymmetrisch. Statt eines Wärmeaustauschers wie in Fig. 1 sind bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 erfindungsgemäß zwei Wärmeausauscher vorgesehen. Der Austauscher 3,1 mit seiner Rohrleitungszuführung 4,1 für den variablen Teil der Sekundärluft hat den gleichen Zweck wie der Wärmeaustauscher 2 in Fig. 2. Auch in dem Austauscher 3.1 bewegt sich die Sekundärluft zunächst abwärts, umspült eine hier rotationssymmetrische Luftumlenkung aus Blech, strömt etwa ab Höhe des Feuerrostes 5.1 wieder nach oben und tritt über eine oder mehrere geschlossene Lochreihen, welche sich in einem zentralen, den Wärxmeaustauscher s 3,1 abschließenden, zylindrischen Luftverteiler 3,1' befinden, in den Feuerraum 1.1 ein.
Der zweite Wärmeaustauscher 16,1,d-er im oberen Teil des Reaktionsrohres angeordnet ist und welcher über eine Rohrleitung 17,1 mit der freien Atmosphäre in Verbindung .Pht, erhitzt erfindungsgemäß einen nicht variablen Anteil der Sekundärluft, deren Durchfluß bei etwa 10 % oder weniger des maximal nötigen Durchflusses liegt. Die durch die Rohrleitung 17,1 eintretende Sekundärluft wird durch Löcher 16,1' in den Feuerraum 1,1 geleitet. Oberhalb und unterhalb der Lochreihe 16,1' sind erfindungsgemäß die Fühler 18,1 bzw. 19,1 eines Temperaturdifferenzreglers angebracht, welcher in der rechten Zeichnungshälfte der Fig. 3 angedeutet ist. Die Fühler 18,1 und 19,1 bestehen z.B. aus zwei geschlossenen Stahlrohren, welche über angedeutete Kapillarrohre 18,2 bzw.
19,2 mit Metallbälgen 18,1' und 19,1' verbunden sind. Die miteinander verbundenen Räume 18,1 und 18,1' bzw. 19,1 und 19,1' sind z.B. mit Stickstoff gefüllt, dessen Druck in beiden Systemen gleich hoch ist und z.B. 5 bar beträgt.
Wenn auf den Rost 5,1 ein Brennstoffbett geschichtet und angezündet ist, und das Ventil 21 des Temperaturdifferenzreglers geschlossen ist, entsteht auch hier warmer Rauch, der sich bei geöffneter Bypassklappe über das Abgasrohr 10,1 zum Schornstein bewegt. R Auf diesem Weg erhitzt er die Sekundärluft in den Wärmeaustauschern 16,1 und 3,1. Ist die Temperatur der Sekundärluft genügend hoch angestiegen, dann entzündet sich der Rauch beim Passieren des Luftverteilers 16,1' und c Fühler 18,1 wird heißer als der Fühler 19,1. Dadurch wird auch der Druck in dem Metallbalg 18,1' höher als in dem Metallbalg 19,1' und die miteinander fest verbundenen Federrohrböden bewegen sich unter öffnung des Ventils 21 nach unten, so daß Frischluft aus einem mit der freien Atmosphäre verbundenen Rohr 20 und über das Rohr 4,1 in den Wärmeaustauscher 3,1 eintritt. Nunmehr entzündet sich der Rauch bereits am Luftverteiler 3,1'.
Verbrennt der Rauch in dem Bereich zwischen den Luftverteilern 3,1' und 16,1' vollkommen, dann erhöht sich zwar die Temperatur der Fühler 18,1 und 19,1, aber die beiden Temperaturen unterscheiden sich nicht mehr. Dadurch wird das Ventil 21 wieder gedrosselt und es stellt sich ein Durchfluß in das Rohr 4,1 ein, welcher gerade so grB ist, daß zwischen den Fühlern 18,1 und 19,1 eine nur geringe Tewperaturdiffeenz aufrechterhalten wird. Wird diese Differenz tu Null, dann schließt das Ventil 21 vollkommen, ist die Differenz dagegen groß, dann ist das Ventil 21 vollkommen geöffnet. Der Regler wird auf eine kleine Temperaturdifferenz eingestellt. Dies stellt sicher, daß die größte Rauchmenge beim Lufteintritt 3,1' verbrannt wird und nur noch eine kleine Restmenge beim Lufteintritt 16,1'. Sind die flüchtigen Bestandteile des Brennstoffes aus dem Feuerbett vollständig ausgetrieben, dann wird die Temperaturdifferenz zwischen den Fühlern 18,1 und 19,1 ebenfalls zu Null, und das Ventil 21 ist vollständig geschlossen.
Die Bedeutung der Teile 7,1 bis 15,1 in Fig. 3 entspricht den Teilen 7 bis 15 in Fig. 1.
In der Fig. 3 ist schließlich noch ein Schadstoffreaktor 24 dargestellt. Er besteht aus einem rotationssymmetrischen Gefäß aus Lochblech oder Drahtgeflecht, welches mit einem schadstoffbindenden mittelkörnigen Granulat gefüllt ist. Das Granulat kann z.B. gebrannter Kalk sein, wenn der Brennstoff stark schwefelhaltig ist. Die chemisches Reaktion zwischen Schwefeloxyden und gebranntem Kalk verläuft in einem Bereicdum 800"C bis 9000C so intensiv, daß ein großer Teil der Schwefeloxyde gebunden wird. Die Anordnung des Schadstoffreaktors 24 unmittelbar am Ausgang der Feuerstätte und bevor den Abgasen Nutzwärme entzogen wurde, stellt sicher, daß der Schadstoffeaktor diese Temperatur annimmt. Um die auf der Oberfläche des Granulates entstehenden, nicht mehr reaktionsfähigen Gips schichten zu entfernen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,den Schadstoffreaktor 24 mittels nicht näher bezeichneter Einrichtungen durch kurze Drehbewegungen zu schütteln.
Der Gips fällt dann auf das Feuerbett, und wenn dieses gerüttelt wird, bis in den Aschenkasten. Der Schadstoffreaktor 24 kann auch mit anderen Granulaten gefüllt sein, z.B.
mit Aktivkoks, um Stickoxyde zu binden. In diesem Falle muß der Schadstoffreaktor von Zeit zu Zeit aus der Feuerstätte entfernt werden, um den gesättigten Koks gegen ungesättigten auszutauschen.
Soll aus Kostengründen auf die Einrichtung des Wärmetauschers 16,1 der Fig. 3 verzichtet werden, nicht jedoch auf die Regelung der Sekundärluft, so kann der Fühler 19,1 auch unterhalb der Einblasstelle 3,1' angeordnet werden, während der Fühler 18,1 in einer Entfernung oberhalb d von 3,1', innerhalb welcher die Rauchoxydation vollendet ist, angeordnet wird. Das Stellglied des Reglers, bestehend aus dem Ventil 21 und den beweglichen Federrohrböden der Metallbälge 18,1' und 19,1', darf dann nie vollständig schließen. Beispielsweise mit Hilfe eines Anschlages muß dafür gesorgt werden, daß ein Mindestdurchfluß von 10 % und weniger des maximal notwendigen Sekundärluftdurchflusses den Luftverteiler 3,1' immer passieren kann.
Überschreitet die Temperaturdifferenz zwischen den Fühlern 18,1 und 19,1 einen vorgegebenen kleinen Wert, z.B.
10-20 °K, so öffnet der Regler innerhalb einer Temperaturdifferenz, die durch die Konstruktion des Ofens und den Brennstoff vorgegeben ist, vollständig. Die Temperatur, bei der die vollständige Öffnung stattfindet, ergibt sich aus der Wärmeleistung, welche bei der Verbrennung der maximal möglichen Rauchmenge mit der dazugehörigen Sekundärluftmenge entsteht.
Diese Tmperaturdifferenz kann bis zu 600 OK betragen.
Gegenüber der Anordnung mit nur einer Einblasstelle besitzt die Anordnung nach Fig. 3 unter anderem den Vorteil, daß sie relativ unabhängig von der Ofenkonstruktion und dem verwendetem Brennstoff ist.
Die Fig. 4 bis 7 zeigen Anordnungen mit drei Wärmeaustauschern. Einer dient der Erzeugung des konstanten Mindest-Sekundärluftdurchflusses, ein zweiter der Erzeugung des variablen Sekundärluftdurchflusses und ein dritter schließlich der Erzeugung von hocherhitzter Primärluft.
Primärluft, die so heiß ist, daß sie die Zündtemperatur des festen Brennstoffanteiles überschreitet, bewirkt eine besonders hohe Feuerleistung auf kleinem Raum.
Der Fig. 4 ist die Fig. 6 zugeordnet, welche einen Schnitt durch die Fig. 4 etwas oberhalb von 3,2' zeigt. In Anlehnung an die Numerierung in den Fig. 1 bis 3 bedeutet 2,2 das hier runde, isolierende Reaktionsrohre,1,2 den Feuerraum, 16,2 den Wärmeaustauscher für den festen Sekundärluftanteil mit dem Zuführungsrohr 17,2, 3,2 den Wärmeaustauscher für den variablen Sekundärluftdurchfluß mit der Zuführung 4,2, und 6,2 dem mit großer Oberfläche versehenen WärmeauStauscher für die Primärluft mit seiner Rohrzuführung 7,2.
Die Primärluft wird erfindungsgemäß in drei Lochreihen 6,2' dem Feuerbett zugeführt. Während die unter dem Feuerrost 5,2 angeordnete Lochreihe ebenso wirkt wie die Lochreihe 6' in Fig. 1, führen die beiden oberen Lochreihen die Primärluft in das brennende Feuerbett, was zu einer intensiven Feststoffverbrennung von außen nach innen führt. Alle anderen, teilweise nicht numerierten Teile in den Fig. 4 bis 7, welche der Nutzwärmeerzeugung oder der Sekundärluftregelung dienen, entsprechen den gleichgezeichneten Teilen in den Fig. 1 bis 3.
Die Fig. 5 und 7, von denen Fig. 7 einen Schnitt durch Fig. 5 oberhalb der variablen Sekundärluftzuführung darstellt, zeigen schließlich noch ein Reaktionsrohr 2,3 in Form eines langgestreckten Rechteckes. Diese Form ist für hohe Feuerleistung geeignet.
Erfindungsgemäß soll der Rauchstrom, der sich an einem Luftverteiler vorbeibewegt, bei einem Schornsteinzug von 1 mm WS nicht dicker sein als etwa 20-30 cm bzw. 40 - 60 cm, wenn sich auf beiden Seiten des Rauchstromes Sekundärlufteinleitungen befinden. Aus diesem Grunde wird bei allen Ausführungsformen die Sekundärluft erfindungsgemäß in eine Rauchstromverengung geblasen. Wählt man für das Reaktionsrohr eine runde Form, so ist damit auch gleichzeitig eine maximale Feuerleistung vorgegeben. Bei einem langgestreckt rechteckigen Reaktionsrohr kann man dagegen die Verbrennungsluft über Kanalleisten, wie sie in den Fig. 5 und 7 gezeichnet sind, dem Feuerraum zuführen. Die Bedeutung der Teile 3,3 4,3 17,3 16,3 1,3 2,3 7,3 6,3 3,3 3,3' 6,3' und 5,3 entsprechen den ähnlich bezeichneten Teilen in Fig. 4 und 6.
Sieht man in einer solchen langgestreckten, rechteckigen Reaktlonsrohi:orI einen Schadstoffreaktor 24' vor, so wird dieser die Forir eines langgestreckten Zylinders aus Lochblech oder Drahtgitter haben müssen. Ein langgestreckter Zylinder läßt sich besonders leicht durch die Wand des Wärmeerzeugers hindurch drehen, um die Oberflächen des schadstoffbindenden Granulats zu säubern. Auch eine Entfernung der Schadstoffreaktortrommel aus dem Feuerraum ist hier einfacher als bei einem Reaktor nach Fig. 3.
Hat man es mit einer besonders kleinen Feuerleistung zu tun, dann ist es auch möglich, die ekundärluft ohne Verengung in den Feuerraum zu blasen, ähnlich wie in Fig. 4 die Primärluft zugeführt wird.
Im übrigen beschränkt sich die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen und in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungen, sondern sie umfaßt auch alle Varianten im Rahmen der wesentlichen Erfindungsmerkmale.
Liste der Bezugszeichen 1 Feuer raum 2 Reaktionsrohr 2' Ringraum um 2 3 warireaustauscher für variablen Anteil der Sekundärluft 3' Lochblech zum Einblasen der Sekundärluft 3" Nachwärmeraum in 3 3"' Umlenkung in 3 4 Rohrzuffhrung für 3 5 Brennstoffrost 6 Primärluftverteiler 6' Lochreihe zum Einblasen der Primärluft 7 Rohr für die Primärluftzuführung 8 Bypassklappe 9 oberer Verteiler 10 zum Schornstein führendes Abgasrohr 11 unterer Verteiler 12 Rohrregister 13 Heizungswassereinlaß 14 u 15 Heizungswasserauslaß 16,1 Wärmeaustauscher für festen Durchflußanteil der Sekundärluft 16,1' Lochplatte im Zentrum von 16,1 17,1 Rohrleitung für die Zuführung der Sekundärluft nach 16,1 18,1 oberer Temperaturfühler 18,1' mit 18,1 über Kapillarrohr 18,2 verbundenes Federrohr 19,1 unterer Temperaturfühler 19,1' mit 19,1 durch Kapillarrohr 19,2 verbundenes Federrohr 20 Sekundärluftzuführung 21 Ventil für Sekundärluftzufuhrng 22 Prallplatte über 2 23 Isoliermantel 24 Schadstoffreaktor

Claims

Feuerstätte für Wärmeerzeuger wie Heizkessel, Heizöfen o d. d g 1.

Patentansprüche: Feuerstätte mit vorzugsweise natürlichem Zug für Wärmeerzeuger wie Heizkessel, Heizöfen od.dgl., insbesondere mit Beheizung durch gasreiche Festbrennstoffe wie Holz, Braunkohle, Torf od.dgl., denen sowohl Primärluft zur Verbrennung der festen Bestandteile auf einem Brennstof frost als auch getrennt davon Sekundär luft zur Verbrennung der aus dem Feststoff-Feuerbett austretenden flüchtigen Bestandteile wie Rauch zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärluft vor bzw. bei ihrem Eintritt in den Feuerraum (1) auf eine Temperatur erhitzt wird, welche mindestens die zur Verbrennung der flüchtigen Bestandteile des Brennstoffes erforderliche Zündtemperatur hat.
2. Feuerstätte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärluft mindestens auf die Zündtemperatur der Grenzschicht zwischen der eingeführten Sekundärluft und den zu verbrennenden flüchtigen Bestandteilen wie Rauch erhitzt wird.
3. Feuerstätte nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärluft von mindestens einem von der Verbrennungswärme des Festbrennstoffes beheizten Wärmeaustauscher erhitzt wird.
4. Feuerstätte nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Erhitzung der Sekundärluft dienende Wärmeaustauscher (3) innerhalb eines den Feuerraum (1) umgebenden, wärmeisolierenden Reaktionsrohres (2) mit beliebigem Querschnitt angeordnet ist.
5. Feuerstätte nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erhitzte Sekundärluft in Form von mehreren Luftstrahlen durch getrennte Öffnungen (3') in den Strom der zu verbrennenden flüchtigen Bestandteile wie Rauch eingeblasen wird.
6. Feuerstätte nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchfluß der Sekundärluft in Abhängigkeit von der Differenz der Temperaturen vor und hinter der Einführung der Sekundärluft in den Feuerraum (1) veränderbar ist.
7. Feuerstätte nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erhitzte Sekundärluft in zwei voneinander getrennten Zonen in den Feuerraum (1) geleitet wird, von denen die eine dicht am Feuerbett liegt, während die zweite so weit von der ersten entfernt ist, daß innerhalb des Abstandes zwischen erster und zweiter Zuführungszone die flüchtigen Bestandteile des Brenngutes nahezu vollständig verbrannt sind.
8. Feuerstätte nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz der Temperaturen vor und hinter der zweiten Sekundärluftzuführung konstant gehalten wird.
9. Feuerstätte nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturdifferenz mit Hilfe eines Reglers konstant gehalten wird.
10. Feuerstätte nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Regler ein System von zwei an sich bekannten, gegeneinandergeschalteten Gasdruck-Temperaturreglern (18,1' und 19,1') vorgesehen ist, welche das Reglerstellglied (20) schließen, wenn die Temperatur der Fühler (18,1' und 19,1') der beiden Systeme gleich groß ist.
11. Feuerstätte nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die heißen Abgase, bevor ihnen Nutzwärme entzogen wird, einen Schadstoffreaktor (24) passieren und ihn dabei erhitzen.
12. Feuerstätte nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schadstoffreaktor (24) ein aus Lochblech oder Drahtgeflecht hergestelltes Gefäß ist, welches mit einem schadstoffbindenden Granulat, wie Kalk, Aktivkoks oder dergleichen, gefüllt ist.
13. Feuerstätte nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Schadstoffreaktor (24) mit einer Rüttelvorrichtung versehen ist.
14. Feuerstätte nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Entziehung von Nutzwärme aus den bei der Verbrennung entstehenden heißen Abgasen außerhalb des Feuerraumes (1) angeordnet sind.
15. Feuerstätte nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Feuerraum (1, 1; 1, 2, 1, 3) als runde oder vieleckige Ringkammer ausgebildet ist, in deren zentraler Begrenzungsfläche Einblasöffnungen (3, 1'; 16, 1') für die Sekundärluft angeordnet sind (Fig. 3 - 7).
16. Feuerstätte nach Anspruch 1 u.a., dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe von einem Isoliermantel (23) umgeben ist.
17. Feuerstätte nach Anspruch 1 u.a.,dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, mit deren Hilfe den erhitzten Verbrennungsprodukten Nutzwärme z.B. zur Erzeugung von Warmluft, Warmwasser od. dgl. entzogen wird.
18. Feuerstätte nach Anspruch 17,dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Feuerraum (1) entweichenden heißen Abgase bei oder vor ihrer Nutzung über die Außenwände des Feuerraummantels bzw. Reaktionsrohres (2) geleitet werden.
19. Feuerstätte nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmeaustauscher (3), welcher an seinem obx oberen Ende über eine Rohrleitung (4) mit mengenmäßig variabler Sekundärluft beschickt wird, mit Führungen (3"') versehen ist, welche die Sekundär luft zunächst abwärts und dann wieder aufwärts leiten und schließlich über einen Nachheizraum (3") durch mehrere Löcher bzw. Lochreihen (3') in den Feuerraum (1) einführen (Fig. 1).
20. Feuerstätte nach Anspruch 1 u.a., dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb eines Brennstoffrostes (5) ein Primärluftverteiler (6) angeordnet ist, der mit Austrittsöffnungen (6') für die Primärluft versehen ist (Fig. 1, 2).
21. Feuerstätte nach Anspruch 1 u.a., dadurch gekennzeichnet, daß in der oberen Abgasleitung (9, 10) eine Bypassklappe (8) angeordnet ist.
22. Feuerstätte nach Anspruch 1 u.a., dadurch gekennzeichnet, daß die heißen Abgase durch einen Ringraum (2') um ein Reaktionsrohr (2) herum nach unten, von dort über einen unteren Verteiler (11) und ein Rohrregister (12) nach oben und dort über einen oberen Verteiler (9) in ein Abgasrohr (10) zum Schornstein geführt werden.
23. Feuerstätte nach Anspruch 1 u.a., dadurch gekennzeichnet, daß der obere Rand des Reaktionsrohres teilweise mit einer Prallplatte (22) abgedeckt ist (Fig. 1).
24. Feuerstätte nach Anspruch 1 u.a., dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Reaktionsrohr (2, 1) mit rundem Querschnitt zwei Wärmeaustauscher (3, 1 und 16, 1) rotationssymmetrisch um das Reaktionsrohr (2, 1) herum angeordnet sind (Fig. 3).
25. Feuerstätte nach Anspruch 1 u.a., dadurch gekennzeichnet, daß drei Wärmeaustauscher vorgesehen sind, von denen der Wärmeaustauscher (16, 2) für den festen Sekundärluftanteil, der Wärmeaustauscher (3, 2) für den variablenpekundärluftdurchfluß und der Wärmeaustauscher (6, 2) mit großer Oberfläche für die Primärluft arbeitet (Fig. 4).
26. Feuerstätte nach Anspruch 1 bzw. 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärluft dem Feuerbett in Lochreihen (6, 2') unterhalb und oberhalb des Feuerrostes (5, 2) zugeführt wird (Fig. 4).
27. Feuerstätte nach Anspruch 1 u.a., dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärluft durch eine Rauchstromverengung eingeblasen wird.
28. Feuerstätte nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schadstoffreaktor (24') die Form eines drehbaren Zylinders hat (Fig. 5).