DE3839861A1 - Heizanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Heizanlage zum Verbrennen von Brennstoff, wie Kohlestaub, Kohle, Gas oder Öl.

Insbesondere betrifft die Erfindung eine Heizanlage, bei der das sogenannte Pulsationsverfahren angewandt wird. Diese Tech­ nik ist seit langem bekannt. Sie geht unter anderem zurück auf das sogenannte Schmidt-Rohr und hat den Vorteil einer totalen (stöchiometrischen) Verbrennung mit hoher Energieausbeute. Ins­ besondere ist die Pulsationsverbrennung in einem langgestreck­ ten Schmidt-Rohr geeignet für die Verbrennung von Kohlestaub (F.H. Reynst, "Pulsating Combustion", Pergamon Press, New York, 1961).

Insbesondere bei der Verbrennung von Kohlestaub, aber auch von fester Kohle, entsteht um die brennenden Teilchen herum eine Hülle von Verbrennungsprodukten, durch welche der Sauerstoff dringen muß, um zur Oberfläche der brennenden Teilchen zu ge­ langen. Die Verbrennungsgeschwindigkeit der Teilchen wird des­ halb durch die Diffusionsrate bestimmt, mit welcher der Sauer­ stoff zu der Oberfläche der brennenden Teilchen gelangt.

Eine Möglichkeit, der Oberfläche der brennenden Teilchen schnell Sauerstoff zuzuführen, bietet die sogenannte pulsieren­ de Verbrennung. Dieses Phänomen ist seit langem bekannt (siehe z.B. Zeitschrift "Journal of the Institute of Fuel", November 1968, S. 423-426; Zeitschrift "Thermal Engineering", 16, 1961, S. 9-13, Aufsatz von V.S. Severyanin; und Zeitschrift "Öl & Gasfeuerung", 3, 1979, S. 166-178).

Ein Problem bei Heizanlagen mit pulsierender Verbrennung be­ steht in der starken Geräuschentwicklung. Zur Minderung der Ge­ räuschentwicklung ist es im Stand der Technik auch schon be­ kannt, die pulsierende Verbrennung in einem sogenannten Viertel- Wellenlängen-Rohr (Quarter-Wave Tube) durchzuführen, siehe z.B. "Combustion Technology: Some modern developments", Hrsg. H.B. Palmer und J.M. Beer, Academic Press, 1974, S. 138. Bei einer pulsierenden Verbrennung in einem Viertel-Wellenlängen-Rohr re­ flektiert ein vom Brennraum ausgehender Druckpuls an einem ge­ schlossenen Ende des Rohres derart, daß sich die reflektierte Welle mit der einlaufenden Welle überlagert und dabei eine Schall-Abschwächung bewirkt.

Wenn sich die Technik der Pulsationsverbrennung trotz der be­ kannten Vorteile, wie hohem Wirkungsgrad und geringer Umweltbe­ lastung, nicht bei Heiz-Großanlagen durchgesetzt hat, so liegt das unter anderem auch an der großen Geräuschentwicklung und den erforderlichen hohen Schornsteinen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Pulsations-Heiz­ anlage der eingangs beschriebenen Art derart weiterzubilden, daß bei hohem Wirkungsgrad der Verbrennung die Geräuschentwick­ lung und der Schadstoff-Ausstoß stark reduziert sind. Die er­ findungsgemäße Heizanlage soll kompakt leicht steuerbar und an unterschiedliche Betriebsparameter einfach anpaßbar sein.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Rohr, zwi­ schen dessen Enden ein Druckgradient erzeugt wird und in dem ein Brennraum derart angeordnet ist, daß sein Abstand vom stromauf gelegenen Rohrende zumindest annähernd gleich der Hälfte seines Abstandes vom stromab gelegenen Rohrende ist, welches in einen Hohltopf mündet, dessen Durchmesser größer ist als der des Rohres.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Heizanlage ist der Brennraum im Rohr derart angeordnet, daß ein sogenanntes Viertel-Wellenlängen-System entsteht.

Zur optimalen Abstimmung der Heizanlage in Abhängigkeit von un­ terschiedlichen Betriebsbedingungen ist in einer weiteren be­ vorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß die Posi­ tion des Brennraumes im Rohr einstellbar ist.

Der erfindungsgemäß stromab des Pulsationsrohres gelegene Hohl­ topf, in den das stromab gelegene Rohrende mündet, dient als sogenannter "Dekoppler", d.h. der Hohltopf hat eine schall­ dämpfende Wirkung. Hierzu hat der Hohltopf einen Durchmesser, der etwa dem zwei- bis dreifachen des Durchmessers des Pulsa­ tionsrohres entspricht, während die Länge des Hohltopfes etwa einem Drittel bis einem Fünftel, bevorzugt einem Viertel, der Gesamtlänge des Pulsationsrohres entspricht.

Dem der Geräuschdämpfung dienenden Hohltopf ist im Strömungsweg der Verbrennungsgase ein erster Wärmetauscher nachgeschaltet. Aus diesem ersten Wärmetauscher treten die Verbrennungsgase in zumindest ein als solches bekanntes Zyklon, um Staub- und Ruß­ teilchen und dergleichen aus den Verbrennungsgasen zu entfer­ nen.

Dem Zyklon (bzw. mehreren Zyklons) ist ein Gebläse nachgeschal­ tet, welches die Verbrennungsgase in eine Sprudeleinrichtung überführt, welche als zweiter Wärmetauscher dient. Die Sprudel­ einrichtung entspricht bevorzugt der DE-PS 30 49 805.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Heiz­ anlage ist das Pulsationsrohr stromab des Brennraumes etwa U-förmig gekrümmt. Hierdurch entsteht eine kompakte Bauweise. Zusammen mit dem am Rohrende angeordneten Hohltopf und dem er­ sten Wärmetauscher bildet das Pulsationsrohr etwa die Form ei­ nes umgekehrten U. Die beiden Enden der Schenkel des U sind auf einem Hohlkörper montiert, der mehrere Funktionen übernimmt. Stromab des Strömungsweges ist im Hohlkörper das Zyklon ange­ ordnet. Stromauf des Pulsationsrohres bildet der Hohlkörper ei­ nen Hohlraum, in den das Pulsationsrohr mündet. Dieser Hohlraum hat ebenfalls eine geräuschdämpfende Wirkung.

Soll mit der erfindungsgemäßen Heizanlage feste Kohle verbrannt werden, so dient ein Rost zur Eingrenzung des Brennraumes, wo­ bei die Stellung des Rostes im Rohr entsprechend den Betriebs­ parametern der Verbrennung einstellbar ist.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird im Brenn­ raum ein Überdruck an sauerstoffhaltigem Gas mittels eines Ge­ bläses erzeugt. Der erzeugte Überdruck liegt im Bereich von 1 bis 20 atü, bevorzugt bei etwa 8 atü.

Das erfindungsgemäße Pulsationsverfahren in einem Viertel-Wel­ lenlängen-Rohr ermöglicht eine stöchiometrische Verbrennung bei niedrigen Temperaturen. Hierdurch wird die Bildung von Schad­ stoffen, insbesondere Stickoxiden, reduziert. Für eine weitere Reduzierung der Schadstoffe, kann der Kohle- bzw. dem Kohle­ staub Kalzium beigemischt werden. Hierdurch werden weitere Stick- und Schwefeloxide gebunden.

In einer Variante der erfindungsgemäßen Heizanlage ist zur ört­ lichen Festlegung des Brennraumes statt eines Rostes ein soge­ nanntes Fluid-Bett vorgesehen. Hierzu sind an der Stelle des Rohres, an welcher der Brennraum liegen soll, Einlaßdüsen für ein Fluid, wie Luft, vorgesehen, die das Fluid unter so hohem Druck einführen, daß die zu verbrennenden Teile, wie Kohle und Kohlestaub, etwa stationär schweben.

Es versteht sich, daß bei Verbrennung von Gas oder Öl kein Rost benötigt wird, sondern der Brennstoff an der gewünschten Stelle des Brennraumes mit Düsen eingeleitet wird.

In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Heizan­ lage ist oberhalb des Rostes ein Sauerstoffsensor angeordnet und entsprechend der vom Sensor angezeigten Sauerstoffkonzen­ tration wird das Gebläse gesteuert.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch einen Vertikalschnitt durch eine erfin­ dungsgemäße Pulsations-Heizanlage,

Fig. 2 Einzelheiten einer als Wärmetauscher dienenden Spru­ deleinrichtung, und

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Rost.

Fig. 1 zeigt eine Pulsations-Heizanlage im Vertikalschnitt. Eine Test-Anlage ist insgesamt ca. 3 m hoch. Hieraus ergeben sich auch die Abmessungen der übrigen Teile.

Ein Rohr 10 dient als Pulsationsrohr, d.h. in dem Rohr 10 fin­ det eine pulsierende Verbrennung statt. Der Brennstoff wird über einen Einlauf 12 in das Rohr 10 eingeführt. Beim darge­ stellten Ausführungsbeispiel wird fester Brennstoff verbrannt. Die Anlage kann aber auch auf andere Brennstoffe, wie Öl und Gas, umgestellt werden.

Der Einlauf 12 wird mittels einer vertikal verstellbaren Klappe 13 geöffnet bzw. geschlossen. Die Klappe 13 ist mittels eines Spindelmotors 15 vertikal verschiebbar.

Ein Gebläse 14 ist zwischen der Klappe 13 und einer weiteren Klappe 17 angeordnet und erzeugt so eine Druckschleuse, so daß der links der Klappe 13 im Rohr 10 ein hoher Überdruck aufrecht erhalten werden kann.

Im Rohr 10 wird ein Brennraum 16 durch ein Rost 18 definiert. Der Rost 18 ist in Fig. 3 näher dargestellt.

Wenn statt eines festen Brennstoffes Öl oder Gas verbrannt wird, wird der Brennraum 16 nicht durch einen Rost definiert, sondern durch eine Gasdüse 18 a bzw. eine Öldüse 18 b, deren Po­ sition in Fig. 1 ebenfalls angegeben ist. Es können auch mehre­ re Düsen vorgesehen sein. Nachfolgend wird ein Ausführungsbei­ spiel mit einem Rost beschrieben, welches sich auf die Verbren­ nung von Kohle bezieht.

Der Rost 18 ist gemäß Fig. 1 mittels einer Stange 20 und einer Höhen-Verstelleinrichtung 22 in seiner Höhe verstellbar, so daß die Stellung des Rostes 18 bzw. des Brennraumes 16 im Rohr 10 in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Verbrennung einstellbar ist.

Falls statt der Kohle Öl oder Gas verbrannt werden soll (Gas­ düse 18 a, Öldüse 18 b), so können in der Wandung des Rohres ent­ sprechende Düsen in unterschiedlichen Höhen angeordnet werden, so daß der Gas- bzw. Ölstrom in unterschiedlichen Höhen wahl­ weise in das Rohr eingeleitet werden kann. Gerade nicht betrie­ bene Düsen (nicht gezeigt) werden geschlossen.

Das Rohr 10 weist einen gekrümmten Abschnitt 24 auf. Der ge­ krümmte Abschnitt 24 macht etwa ein Drittel bis ein Viertel der Gesamtlänge des Rohres 10 aus. Im Zenit des gekrümmten Ab­ schnittes 24 des Rohres 10 ist ein Sicherheitsventil 26 an­ geordnet.

Oberhalb des Brennraumes 16 ist ein Sauerstoffsensor 25 ange­ ordnet, mit dem die Gaszufuhr für die Verbrennung im Brennraum 16 gesteuert wird, damit eine vollständige stöchiometrische Verbrennung stattfindet. Die Gaszufuhr wird weiter unten be­ schrieben.

Die Stellung des Rostes 18 bzw. des unmittelbar über diesem ge­ legenen Brennraumes 16, also des Raumes, in dem die Flamme pul­ siert, in bezug auf das stromauf gelegene Rohrende 28 bzw. das stromab gelegene Rohrende 30 des Pulsationsrohres 10 ist derart einstellbar, daß der Abstand des Rostes 18 vom stromauf gelege­ nen Rohrende 28 zwischen dem 0,4- bis 0,6-fachen des Abstandes des Rostes vom stromab gelegenen Rohrende 30 beträgt. Dies ist durch die gestrichelten Linien in Fig. 1 angedeutet.

Das stromauf gelegene Rohrende 28 ist wahlweise mit einem so­ genannten "Flapper"-Ventil (Schmetterlingsventil) versehen oder offen.

Das Rohr 10 eines Test-Ausführungsbeispiels hat einen Innendurch­ messer von ca. 140 mm. Der Krümmungsradius der Mittellinie M des Rohres im gekrümmten Abschnitt 24 beträgt etwa 350 mm.

Das stromab gelegene Rohrende 30 des Pulsationsrohres 10 mündet in einen Hohltopf 32, dessen Durchmesser ca. 500 mm beträgt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist am stromab gelegenen Rohrende 30 ein sogenanntes Flapper-Ventil vorgesehen, also ein Einwegventil, welches in Strömungsrichtung öffnet und umgekehrt fließt. Die Verbrennungsgase durchströmen den Hohltopf 32 in Fig. 1 von oben nach unten und legen dabei einen Weg von ca. 450 mm zurück. Der Hohltopf 32 ist in seinem Bodenabschnitt trichterförmig ausgestaltet und mündet in einen ersten Wärmetauscher 34, in dem die in den Verbrennungsgasen steckende Energie an zirkulierendes Wasser abgegeben wird.

Das gesamte Rohr 10, die Wandungen des Hohltopfes 32 und der Wärmetauscher 34 werden von einen im einzelnen nicht darge­ stellten Kühlwasserkreislauf durchströmt. Das Rohr 10 und der Hohltopf 32 sind also hohlwandig ausgebildet. In Fig. 1 sind die Anschlußleitungen für den Wasserkreislauf (bzw. die Wasser­ kreisläufe) mit dem Bezugszeichen 36 versehen. Über den Kühl­ wasserkreislauf wird Verbrennungswärme gewonnen.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, bildet das Rohr 10 zusammen mit dem Hohltopf 32 und dem ersten Wärmetauscher 34 insgesamt die Form eines auf dem Kopf stehenden U, wobei der Hohltopf 32 eine Verdickung darstellt. Diese U-förmige Einheit steht auf einem Hohlkörper 38, der im wesentlichen kastenförmig ist.

Das stromauf gelegene Ende 28 des Rohres 10 mündet in einen Hohlraum 39, der ebenfalls schalldämpfend wirkt.

In dem Hohlraum 39 ist ein Gebläse 40 angeordnet, welches Luft von außen ansaugt und mit hohem Druck in das Rohrende 28 drückt. Das Gebläse erzeugt einen Überdruck gegenüber der äu­ ßeren Atmosphäre am Rohrende 28 zwischen 0,5 und 40 atü, vor­ zugsweise 5 bis 12 atü, insbesondere 8 atü. Der Überdruck hängt von den Betriebsparametern und vom Brennstoff ab. Am Eingang des stromauf gelegenen Rohrendes 28 ist ein sogenanntes Flap­ per-Ventil angeordnet, d.h. ein Schmetterlingsventil, das in Richtung auf das Rohrinnere öffnet und in umgekehrter Richtung fließt.

Der Hohlraum 39 ist mittels einer Trennwand 42 vom übrigen Hohlkörper 38 abgetrennt. Auf eine Schrägwand 41 fallende Schlacke rutscht in eine Schlacken-Rutsche 44.

Auf der anderen Seite der Trennwand 42 mündet der erste Wärme­ tauscher 34 in einen Kanal 45, der zu zwei Zyklons 46 führt. In den Zyklons 46 wird das Verbrennungsgas in bekannter Weise in eine Drehbewegung versetzt, so daß mittels Zentrifugalkräften Partikel, Staub und Ruß oder dergleichen abgetrennt wird. Die Partikel fallen unten aus dem Zyklon heraus auf einen Partikel­ fänger 48.

Die Verbrennungsgase werden mittels eines Gebläses 50 zu einer Ausgangsleitung 52 geführt, welche die im Wärmetauscher 34 noch nicht vollständig abgekühlten Verbrennungsgase zu einem weite­ ren Wärmetauscher überführt, der im wesentlichen der DE-PS 30 49 805 entspricht und in Fig. 2 dargestellt ist.

Der zweite Wärmetauscher ist gemäß Fig. 2 eine Sprudeleinrich­ tung 60. Bei 62 treten die Verbrennungsgase in ein Rohr 64, das in einem Wasserbad 66 angeordnet ist. Durch Vertikal-Rohre 68 strömen die heißen Verbrennungsgase in eine Kuppel 70, die in Fig. 2 in Explosionsdarstellung gezeigt ist. Im Betriebszustand ist die Kuppel 70 in das Wasserbad 66 derart abgesenkt, daß die Seitenwände 72 der Kuppel in das Wasser eintauchen. In den Sei­ tenwänden 72 der Kuppel 70 sind nach unten im Querschnitt grö­ ßer werdende Schlitze 74 vorgesehen, durch welche die Verbren­ nungsgase das Wasser durchsprudeln. Wie in der DE 30 49 805 ausgeführt ist, bewirkt die Anordnung der Schlitze 74 eine Dämpfung möglicher Pulsationserscheinungen im Verbrennungsgas.

Die Verbrennungsgase treten bei 76 aus der Sprudeleinrichtung 60 aus. In der Kuppel 70 ist noch ein weiterer Wärmetauscher 78 in an sich bekannter Weise vorgesehen.

Die nun fast vollständig abgekühlten Verbrennungsgase enthalten relativ wenig Schadstoffe und benötigen einen relativ kurzen Schornstein.

Fig. 3 zeigt Einzelheiten eines Rostes 18 zur Verbrennung von insbesondere fester Kohle. Der Rost 18 besteht aus einer etwa kreisförmigen Platte, die konzentrische, jeweils etwa viertel­ kreisförmige Ausnehmungen 80 aufweist. Vier Vorsprünge 82 ste­ hen radial vor und zentrieren den Rost 18 unter Abstand in be­ zug auf die Innenwand des Rohres 10.

Claims (16)

1. Heizanlage zum Verbrennen von Brennstoff, wie Kohlestaub, Kohle, Gas oder Öl, gekennzeichnet durch ein Rohr (10), zwischen dessen Enden (28, 30) ein Druckgradient erzeugt wird und in dem ein Brennraum (16) derart angeordnet ist, daß sein Abstand vom stromauf gelegenen Rohrende (28) zu­ mindest annähernd gleich der Hälfte seines Abstandes vom strom­ ab gelegenen Rohrende (30) ist, welches in einen Hohltopf (32) mündet, dessen Durchmesser größer ist als der des Rohres.

2. Heizanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Hohltopf (32) ein erster Wärmetauscher (34) nachge­ schaltet ist.

3. Heizanlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (10) ein sogenanntes Viertel-Wellenlängen-Rohr ist.

4. Heizanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckgradient permanent in dem Rohr (10) mittels eines außerhalb des stromauf gelegenen Rohrendes (28) angeordneten Gebläses (40) erzeugt wird, das einen Überdruck an diesem Rohr­ ende von 0,5 bis 40 bar bewirkt.

5. Heizanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Position des Brennraumes (16) im Rohr (10) einstellbar ist.

6. Heizanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß stromab des ersten Wärmetauschers (34), welcher dem Hohl­ topf (32) nachgeschaltet ist, eine Sprudeleinrichtung (60) als zweiter Wärmetauscher nachgeschaltet ist.

7. Heizanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (10) stromab des Brennraumes etwa U-förmig ge­ krümmt ist, wobei das gekrümmte Rohrstück (24) etwa so lang ist wie die Hälfte bis ein Drittel der Gesamtlänge des Rohres.

8. Heizanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (10) und der Hohltopf (32) sowie der erste Wär­ metauscher (34) insgesamt etwa die Form eines umgekehrten U aufweisen und mit den beiden Schenkelenden auf einem Hohlkörper (38) befestigt sind.

9. Heizanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraum (16) durch einen Rost (18) bestimmt wird, dessen Stellung im Rohr (10) einstellbar ist.

10. Heizanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraum (16) als Fluidbett ausgebildet ist.

11. Heizanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Gebläses (40) Sauerstoff in den Brennraum (16) eingeführt wird.

12. Heizanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des Brennraumes (16) ein Sauerstoffsensor angeord­ net ist und daß entsprechend der mit diesem gemessenen Sauer­ stoffkonzentration das Gebläse (40) gesteuert wird.

13. Heizanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Brennraumes (16) vom stromauf gelegenen Rohrende (28) etwa 40 bis 60% des Abstandes vom stromab ge­ legenen Rohrende (30) beträgt.

14. Heizanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Gebläses (40) ein Druckgradient von 1 bis 20 bar, vorzugsweise 8 bar, eingestellt wird.

15. Heizanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am stromauf gelegenen Rohrende (28) ein sogenanntes Flapper-Ventil angeordnet ist.

16. Heizanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am stromab gelegenen Rohrende (30) ein sogenanntes Flapper-Ventil angeordnet ist.