DE4324076C2

DE4324076C2 - Verfahren zur Simulation des Verbrennungsablaufes von Brenngut im "Underfeed"-Prinzip auf dem Feuerungsrost einer Verbrennungsanlage und Verbrennungsofen für das Verfahren

Info

Publication number: DE4324076C2
Application number: DE4324076A
Authority: DE
Inventors: Frank Schumacher; Heiner Meichelboeck
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 1993-07-19
Filing date: 1993-07-19
Publication date: 1995-11-02
Anticipated expiration: 2013-07-20
Also published as: DE4324076A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Simula tion des Verbrennungsablaufes von Brenngut auf den Feuerungs rost einer Verbrennungsanlage gem. dem Oberbegriff den Anspru ches 1, sowie einen Verbrennungsofen zur Durchführung des Ver fahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 4.

Die heterogene Feststoffverbrennung von kommunalem Hausmüll auf Rostfeuerungssystemen ist derzeit das gebräuchlichste Ver fahren für die thermische Verwertung des Abfalles. Nach dem derzeitigen Wissenstand laufen bei der Müllverbrennung auf Rostsystemen in einem Verfahrensraum mindestens vier verschie dene verfahrenstechnische Prozesse gleichzeitig ab: Brenn stofftrocknung, Brennstoffentgasung, Brennstoffvergasung und heterogene Verbrennung.

Für ein systematisches Studium dieser Prozesse mit dem Ziel der Optimierung des gesamten Verfahrens müssen die einzelnen Teilschritte genau untersucht werden können. In größeren Ver brennungsanlagen ist es nicht möglich, Teilschritte der Ver brennung isoliert zu untersuchen. Der gesamte Verbrennungsvor gang ist örtlich und zeitlich veränderlich und entzieht sich so der exakten meßtechnischen Erfassung.

Die vorliegende Erfindung hat daher zur Aufgabe, ein Verfahren anzugeben, mit welchem sich die Verbrennung von Brenngut auf einem Rost simulieren läßt. Mit dem Verfahren soll ein mög lichst genau definierbarer Verbrennungsablauf erzielbar sein, d. h. der Zeitpunkt des Beginnes der Verbrennung oder die Zün dung des Brenngutes soll möglichst ohne Vorwärmung desselben, die eine Trocknung und damit eine Verfälschung bedeuten würde, erfolgen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Ver brennungsofen anzugeben, in welchem sich das im Vorstehenden genannte Verfahren ausführen läßt. In diesem Ofen soll wei terhin die Messung der Gewichtsabnahme der Brenngutprobe wäh rend des Experimentes als Maß für die in die Gasphase überge hende feste Brennstoffmenge exakt bestimmt werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt nun die vorliegende Erfin dung ein Verfahren vor, das aus den Verfahrensschritten im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches besteht. Weitere vor teilhafte Merkmale sind in den kennzeichnenden Merkmalen der Unteransprüche zu sehen. Ein für das neue Verfahren vorge schlagener Verbrennungsofen weist erfindungsgemäß die Merkmale der kennzeichnenden Teile der Ansprüche 4 bis 10 auf.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es nun durch die Simulierung, ein Modell für die Rostverbrennung einer Großanlage zu erstellen, bei dem einerseits die Einflußgrößen konstant gehalten und andererseits einzelne gezielt und iso liert verändert werden können. Dabei hat man die Möglichkeit, eine lückenlose meßtechnische Erfassung aller interessierenden Parameter während eines Experimentes durchzuführen. Der von der Erfindung vorgeschlagene Verbrennungsofen ermöglicht nun die ganz genaue Erfassung des Zündzeitpunktes der Probe, sowie eine exakte Steuerung des Verbrennungsablaufes. Dies wird durch die gleichmäßige Temperaturverteilung der Innenfläche der Brennraumwand, sowie durch die Steuerungsmöglichkeit der selben während des Experimentes erzielt. Der Ofen ist dabei so konzipiert, daß der Brennraum im getrennten Zustand aufgeheizt werden kann und erst unmittelbar vor Versuchsbeginn das aufge heizte Oberteil und das mit dem Brenngut befüllte kalte Unter teil gekoppelt werden. Damit kann ausgeschlossen werden, daß der Brennstoff vor Versuchsbeginn trocknet. Letztlich ermög licht es der Ofen, daß die Gewichtsabnahme des Brenngutes ohne fehlerverursachende Krafteinwirkungen von außen während des Verbrennungsvorganges kontinuierlich und sehr genau erfaßt wer den kann.

Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden im fol genden sowie anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt einen Querschnitt des Verbrennungsofens für das Verfahren im Betriebszustand mit angesetztem Unterteil und

die Fig. 2 denselben mit entferntem Unterteil und angesetztem Isolierdeckel in der Aufheizphase.

Gemäß der Fig. 1 besteht der Ofen im wesentlichen aus dem Ofenoberteil 1 und dem Ofenunterteil 2. Beide Teile sind an der Trennlinie 5 voneinander trennbar, wobei das auf dem Rah men 14 liegende Unterteil 1 mittels des auf einer Quertraverse 11 angebrachten und den Rahmen 14 von unten stützenden Hubwer kes 10 abgesenkt bzw. angehoben und an das Oberteil 1 ange drückt werden kann. Die Quertraverse 11 sitzt in dem vorzugs weise dreibeinig ausgebildeten Ofengestell 12 und ist Bestand teil desselben. Das Ofenoberteil ist ebenfalls mit einer wei teren Traverse 11 starr in dem Gestell 12 aufgehängt, so daß beide Ofenteile 1 und 2 mit den Traversen 11 und 15 sowie der Hubeinrichtung eine Gewichtseinheit bilden. Der Rahmen 14 sitzt dabei auf einem Wagen 28, der im abgesenkten Zustand mitsamt dem Ofenunterteil 2 auf einer Schiene 29 (siehe Fig. 2) horizontal verschoben werden kann. Auf derselben Schiene 29 läuft noch ein zweiter verfahrbarer Wagen 30, auf welchem über einem weiteren Rahmen 31 ein Isolierdeckel 9 sitzt, der somit wahlweise an Stelle des Ofenunterteiles 2 unter den Brennraum 6 gebracht werden kann und diesen nach Anheben mittels des Hubwerkes 10 nach unten dicht verschließt. In der Fig. 2 ist dieser Zustand dargestellt, wobei aber der Wagen 30 wieder ab gesenkt ist.

Der Ofen wird von oben bis unten von einem Kanal 7 durchsetzt, dessen Teilstück im Ofenoberteil 1 den Brennraum 6 bildet. Das untere Teilstück des Kanales 7 im Ofenunterteil bildet den Probenraum 8, der gemäß der Fig. 1 das Brenngut 3 enthält.

Diese liegt auf dem, den Probenraum 8 nach unten abschließen den Feuerungsrost 4, der aus einer gasdurchlässigen bzw. po rösen Keramik- oder Stahlfritte besteht, die als Strömungs gleichrichter dient. Der Feuerungsrost 4 kann in dem Kanal 7 in unterschiedlicher Höhe angeordnet werden oder in der Höhe verstellbar sein, dadurch kann die Lage des Brenngutes 3 in Bezug auf das Ofenunterteil variiert werden. Unterhalb des Ro stes 4 ist im Probenraum 8 eine Luftkammer 16 vorhanden, die zur Luftverteilung unter dem Rost dient und an welcher der Primärluftanschluß 17 für die Verbrennung sitzt. Eine Isolie rung 24 umgibt den Probenraum 8 sowie die Luftkammer 16 und bildet den äußeren Teil des Ofenunterteils 2. An der Oberseite des Ofenunterteiles 2 ist in einer Ausnehmung noch ein Schie ber 13 vorgesehen, der den Probenraum 8 nach oben abschirmt und der zum Öffnen desselben seitlich weggeschwenkt werden kann.

Der Kanal 7 wird aus den zwei Halbschalen 18 gebildet, die aus feuerfestem Beton bestehen und von einer Fasermaterialisolie rung 19 umgeben sind. Der Teil des Kanales 7 im Ofenunterteil 2 bildet den Brennstoffzylinder 32, der die Begrenzungswand des Probenraumes 8 bildet, kann ebenso wie die Halbschalen 18 im Oberteil 1 aus gegossenem Feuerfestbeton oder aus einem, auf der Innenseite speziell gecoatetem Fasermaterial bestehen. Um diesen Brennstoffzylinder 32 ist eine Zusatzheizung 33 zur Beheizung des Probenraumes 8 angeordnet. Das Coating ist ein Keramikkleber, der die Oberfläche des Faserzylinders härtet. Durch den Einsatz dieses Materiales kann bei Bedarf der insta tionäre Wärmeverlust weiter verringert werden. Am oberen Ende des Kanales 7 schließt sich eine nicht mehr dargestellte Kami nanlage 20 an, an die der Ofen momenten- bzw. kräftefrei z. B. über einen Zwischenspalt angeschlossen ist. Um den Brennraum 6 herum ist in der Wandung bzw. hinter den Halbschalen 18 eine ring- bzw. mäanderförmige elektrische Heizung 21 vorgesehen, die zur Beheizung des Brennraumes 6 dient. Im Bereich dieser Heizung sind durch die Isolierung 19 bzw. die Halbschalen 18 Durchführungsrohre 22 aus Keramik durchgeführt, mittels wel cher zusätzlich Brennerlanzen zu einer Stützheizung in den Brennraum 6 eingebracht werden können. Die Rohre 22 dienen weiterhin auch zur Abgasanalyse.

Ähnliche Durchführungsrohre 23 befinden sich auch im Ofenun terteil 2, sie führen nach außen durch die Isolierung 24 und dienen der Zufuhr von Zusatzluft bzw. der Abgasanalyse vor Ort sowie der Messung der vertikalen Temperaturverteilung im Gut bett 3. Die Leitungen, die an die Rohre 22 und 23 von außen angeschlossen sind, sind in den Figuren nicht mehr darge stellt, sie gehören zu der Peripherie des Ofens und sind mit den Rohren 22 und 23 momenten- und kräftefrei z. B. durch wei che, flexible Schläuche verbunden.

Der gesamte Ofen mit Unter- und Oberteil 1 und 2 liegt mit den Stahlfüßen 25 des Gestelles 12 auf Druckmeßdosen 26 als Wäge zellen, die sich gegenüber dem Boden 27 abstützen und somit das gesamte Gewicht des Ofens erfassen. Da diese an seine Pe ripherie kräfte- und momentenfrei angeschlossen ist, läßt sich mit ihnen jede Gewichtsveränderung durch den Verbrennungsvor gang im Ofen und damit des Brenngutes 3 erfassen.

Der Ofen dient, wie bereits eingangs erwähnt, zur Ausführung eines Verfahrens zur Simulation des Verbrennungsablaufes von Brenngut auf dem Feuerungsrost einer Verbrennungsanlage. Dazu wird in dem Ofen eine Probe 3 des Brenngutes von oben her mit Zündung des Verbrennungsvorganges durch Strahlungsübertragung der Wärme aus dem über der Probe 3 gelegenen Brennraum 6 ver brannt. Dieses Verfahren bezeichnet man als "Underfeed-Combu stion Mode", bei dem die Verbrennungsluft das Brennstoffgut bett von unten durchströmt und die Verbrennungsrichtung entge gengesetzt zum Verbrennungsluftstrom läuft. Dieser Zustand wird in Öfen allgemein dadurch erzeugt, daß unter ein brennen des Gutbett frischer Brennstoff gebracht wird (underfeet). Der Zustand ist gekennzeichnet dadurch, daß die Verbrennungs- bzw. Zündfront immer in frischen, von Verbrennungsluft durchström ten Brennstoff eindringt. Während der Verbrennung werden nun bei dem hier vorliegenden Verfahren gleichzeitig die Gewichts veränderung des Brennstoffes sowie weitere Verbrennungsparame ter erfaßt.

Bei dem Verfahren wird die Probe 3 des Brenngutes zunächst in den wärmeisolierten Probenraum 8 des vom Oberteil 1 getrennten Unterteiles 2 des Ofens gebracht und dort auf Raumtemperatur gehalten. Gleichzeitig erfolgt ein separates und gleichmäßiges Aufheizen des wärmeisolierten und von dem Probenraum 8 ge trennten und durch den Isolierdeckel 9 solange nach außen ab geschlossenen Brennraumes 6 im Ofenoberteil 1 auf die vorgege bene Zündtemperatur. Dabei wird der Rauchgasweg zum Kamin 20 auf nicht dargestellte Weise verschlossen.

Danach wird der Brennraum 6 nach Erreichen der Zündtemperatur und ihrer gleichmäßigen Verteilung durch Absenken und seitli ches Wegfahren des Isolierdeckels 9 geöffnet und der Proben raum 8 durch Andrücken des Ofenunterteiles 2 an das Oberteil 1 von unten an den geöffneten Brennraum 6 angeschlossen. Zum Versuchsbeginn muß noch der Schieber 13 geöffnet werden. Das Ofenunterteil 2 wird somit in getrenntem Zustand mit dem Brennstoff 3 gefüllt. Zeitgleich wird die indirekte Aufheizung des Ofenoberteiles 1 auf Zündtemperatur mittels der Heizung 21 durchgeführt. Nach Erreichen eines thermischen Gleichgewichts zustandes des Oberteiles 1 werden Ober-und Unterteil 1 und 2 auf die beschriebene Weise miteinander gasdicht gekoppelt. Während dieses Koppelvorganges wird die Oberfläche des Brenn stoffgutbettes 3 durch den die Strahlung abschirmenden Stahl schieber 13 verdeckt, damit die Strahlungshitze den Brennstoff nicht entzündet, bevor die Verbindung zwischen Ober- und Un terteil komplett hergestellt ist. Die Verbrennung beginnt, wenn Ober- und Unterteil 1 und 2 fest miteinander verbunden sind und der Schieber 13 weggeschwenkt wird. Der Koppelvorgang kann dadurch sehr kurz gehalten werden und dauert wenige Se kunden, so daß das Temperaturfeld im Brennraum 6 nur wenig ge stört wird.

Das Brenngut 3 wird nun durch die Strahlungsübertragung aus dem Oberteil 1 gezündet, der Rauchgasweg zum Kamin 20 ist wie der geöffnet. Die Primärluft für die Verbrennung des Brenn gutes 3 wird durch den Rost 4 aus Sintermaterial zugeführt. Durch die Porosität des gesinterten Rostmateriales wird einer seits eine Gleichrichtung der Strömung und andererseits ein Druckabfall im Rost 4 erreicht, der größer als der Druckabfall im Gutbett 3 ist. Auf diese Weise werden Strömungseffekte im Gutbett 3 durch unterschiedliche Porenverteilung weitgehend verhindert. Das Brenngut brennt unter diesen Bedingungen von oben nach unten ab. Durch die Rohre 22 und 23 im Unter- wie im Oberteil 1 und 2 kann während des Brennvorganges zusätzlich Sekundär- und Tertiärluft eingeleitet werden. Weiterhin kann der Brennraum 6 zu Beginn oder während der ablaufenden Ver brennung zusätzlich beheizt werden, ebenso der Probenraum 8.

Für die meßtechnische Erfassung der Versuche wird die Ge wichtsabnahme des Brenngutes 3 kontinuierlich mit Hilfe der Druckmeßdosen bzw. Wägezellen 26 ermittelt. Mittels der Rohre 22 und 23 können dabei Gasproben aus der abbrennenden Brenn stoffschicht gezogen, sowie der Temperaturverlauf über die Höhe des Gutbettes 3 gemessen werden. Nicht benutzte Öffnungen werden dabei gasdicht verschlossen.

Bezugszeichenliste

1 Ofenoberteil
2 Ofenunterteil
3 Brenngut, Gutbett
4 Feuerungsrost
5 Trennlinie
6 Brennraum
7 Kanal
8 Probenraum
9 Isolierdeckel
10 Hubwerk
11 Quertraverse
12 Gestell
13 Schieber
14 Rahmen
15 Traverse
16 Luftkammer
17 Primärluftanschluß
18 Halbschalen
19 Isolierung
20 Kaminanlage
21 Heizung
22 Durchführungsrohre
23 Durchführungsrohre
24 Isolierung
25 Fußstücke
26 Druckmeßdosen
27 Boden
28 Wagen
29 Schiene
30 Wagen
31 Rahmen

Claims

1. Verfahren zur Simulation des Verbrennungsablaufes von Brenngut im "Underfeed"-Prinzip auf dem Feuerungsrost einer Verbrennungsanlage durch Verbrennen einer Probe des Brenn gutes von oben her mit Zündung des Verbrennungsvorganges durch Strahlungsübertragung der Wärme aus dem über der Probe gelegenen Brennraum und gleichzeitige Erfassung ihrer Gewichtsveränderung und anderer Verbrennungsparameter, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

a) Einbringen der Probe in einen wärmeisolierten Proberaum und Halten der Probe auf Raumtemperatur,
b) separates und gleichmäßiges Aufheizen des wärmeisolier ten und von dem Probenraum getrennten und nach außen ab geschlossenen Brennraumes in einem Ofen auf die vorgege bene Zündtemperatur,
c) Öffnen des Brennraumes nach Erreichen der Zündtemperatur mit Einstellung des thermischen Gleichgewichtes und An schließen des oben geöffneten Probenraumes von unten an den geöffneten Brennraum.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraum zu Beginn oder während der ablaufenden Verbren nung zusätzlich beheizt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Probenraum zu Beginn oder während der ablaufenden Verbrennung zusätzlich beheizt wird.

4. Verbrennungsofen zur Durchführung eines Verfahrens nach An spruch 1, 2 oder 3 mit zwei übereinander angeordneten Tei len, von denen das Unterteil mit dem Rost zur Aufnahme des Brenngutes gegenüber dem Oberteil an einer Trennlinie weg bewegbar und im Oberteil die zur Zündung des Verbrennungs vorganges beheizbare Verbrennungszone angeordnet ist, sowie mit einem Kaminabzug für die Brenngase über der Verbren nungszone, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

d) der Ofen enthält in seinem Inneren einen durch Ober- und Unterteil (1, 2) gehenden, senkrechten Kanal (7), der von der Wärmeisolierung (19) umgeben ist und dessen Teil stück im Oberteil (1) mit der Verbrennungszone (6) nach Wegbewegen des Unterteiles (2) mittels eines Isolier deckels (9) an der Trennungslinie (5) von unten abdeck bar ist,
e) der gesamte Ofen ist mit seinen beiden Teilen (1, 2) in einem Gestell (12) montiert, welches sich auf Wägezellen (26) gegenüber dem Boden (27) abstützt und ist momenten- und kräftefrei an den Kaminabzug (20) und die weiteren Verbindungen angeschlossen.

5. Verbrennungsofen nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale:

f) durch die Isolierwand (24) neben dem Kanal des Untertei les (2) sind im Bereich des Aufnahmevolumens (8) für das Brenngut (3) zusätzlich verschließbare Durchführungs rohre (23) zur Zu- und Abfuhr von Gasen oder für Meßlei tungen vorhanden.

6. Verbrennungsofen nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale:

g) die Verbrennungszone (6) im Oberteil (1) ist von einer elektrischen Heizung (21) umgeben.

7. Verbrennungsofen nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale:

h) unterhalb des Rostes (4) im Probenraum (8) des Untertei les (2) ist in dem Kanal (7) eine Luftkammer (16) mit Strömungsgleichrichter und dem Anschluß (17) für die Primärluft angeordnet.

8. Verbrennungsofen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Feuerungsrost (4) aus einer gasdurchlässigen, Kera mik- oder Stahlfritte besteht.

9. Verbrennungsofen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rost (4) in der Höhe verstellbar ist.

10. Verbrennungsofen nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch das weitere Merkmal:

i) oberhalb des Probenraumes (8) im Unterteil (2) ist ein seitlich wegschwenkbarer thermisch abschirmender Schutz deckel (13) vorhanden.