DE4324077B4

DE4324077B4 - Verfahren zur Simulation des Verbrennungsablaufes von Brenngut im "Overfeed"-Prinzip auf dem Feuerungsrost einer Verbrennungsanlage und Verbrennungsofen für das Verfahren

Info

Publication number: DE4324077B4
Application number: DE4324077A
Authority: DE
Inventors: Frank Schumacher; Heiner Meichelböck
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 1993-07-19
Filing date: 1993-07-19
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2013-07-20
Also published as: DE4324077A1

Abstract

Verfahren zur Simulation des Verbrennungsablaufes von Brenngut im "Overfeed"-Prinzip auf dem Feuerungsrost einer Verbrennungsanlage durch Verbrennen einer Probe des Brenngutes mit Zündung des Verbrennungsvorganges durch Strahlungsübertragung der Wärme und gleichzeitige Erfassung ihrer Gewichtsveränderung und anderer Verbrennungsparameter, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
a) Einbringen der Probe in einen über dem Brennraum gelegenen, wärmeisolierten Proberaum und Halten der Probe auf Raumtemperatur,
b) separates und gleichmäßiges Aufheizen einer wärmeisolierten und von dem Probenraum getrennten, unter ihm gelegenen und nach außen abgeschlossenen Vorheizkammer in einem Ofen auf die vorgegebene Zündtemperatur,
c) Öffnen der Vorheizkammer nach Erreichen der Zündtemperatur mit Temperaturgleichgewicht und Anschließen des unten geöffneten Probenraumes von oben an die geöffnete Vorheizkammer,

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Simulation des Verbrennungsablaufes von Brenngut auf dem Feuerungsrost einer Verbrennungsanlage gem. dem Oberbegriff des Anspruches 1, sowie einen Verbrennungsofen zur Durchführung des Verfahrens gem. dem Oberbegriff des Anspruches 4.
Die heterogene Feststoffverbrennung von kommunalem Hausmüll auf Rostfeuerungssystemen ist derzeit das gebräuchlichste Verfahren für die thermische Verwertung des Abfalles. Nach dem derzeitigen Wissenstand laufen bei der Müllverbrennung auf Rostsystemen in einem Verfahrensraum mindestens vier verschiedene verfahrenstechnische Prozesse gleichzeitig ab: Brennstofftrocknung, Brennstoffentgasung, Brennstoffvergasung und heterogene Verbrennung.

Die GB 877 779 A offenbart einen Brennofen, bei dem festes Brennmaterial durch Zufuhr von in einem vorgeschalteten Brennraum erzeugtem Heißgas gezündet wird, wobei das Heißgas dem Brenngut von unten zugeführt wird.

Die GB 22 41 323 A offenbart einen Brennherd, bei dem das Brennmaterial ebenfalls durch Zufuhr von einem vorgeschalteten Brennraum erzeugtem Heißgas gezündet wird, wobei das Heißgas dem Brenngut von unten zugeführt wird.

Für ein systematisches Studium dieser Prozesse mit dem Ziel der Optimierung des gesamten Verfahrens müssen die einzelnen Teilschritte genau untersucht werden können. In größeren Verbrennungsanlagen ist es nicht möglich, Teilschritte der Verbrennung isoliert zu untersuchen. Der gesamte Verbrennungsvorgang 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 möglichst genau definierbarer Verbrennungsablauf erzielbar sein, d.h. der Zeitpunkt des Beginnes der Verbrennung oder die Zündung 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 Verbrennnungsofen anzugeben, in welchem sich das im Vorstehenden genannnte Verfahren ausführen läßt. In diesem Ofen soll weiterhin die Messung der Gewichtsabnahme der Brenngutprobe während des Experimentes als Maß für die in die Gasphase übergehende feste Brennstoffmenge exakt bestimmt werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt nun die vorliegende Erfindung ein Verfahren vor, das aus den Verfahrensschritten im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches besteht. Weitere vorteilhafte Merkmale sind in den kennzeichnenden Merkmalen der Unteransprüche zu sehen. Ein für das neue Verfahren vorgeschlagener Verbrennungsofen weist erfindungsgemäß die Merkmale der kennzeichnenden Teile der Ansprüche 4 bis 9 auf.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es nun durch die exakte Simulierung, ein Modell für die Rostverbrennung einer Großanlage aufzustellen, bei dem einerseits die Einflußgrößen konstant gehalten. und andererseits einzelne gezielt und isoliert 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 ermöglich nun die ganz genaue Einhaltung des Zündzeitpunktes der unbeeinflußten Probe, sowie eine exakte Steuerung des Verbrennungsablaufes. Dies wird durch die gleichmäßige Temperaturverteilung der Innenfläche der Brennraumwand, sowie durch die Steuerungsmöglichkeit derselben 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 aufgeheizte Unterteil und das mit dem Brenngut befüllte kalte Oberteil gekoppelt werden. Damit kann ausgeschlossen werden, daß der Brennstoff vor Versuchsbeginn trocknet. Letzlich ermöglicht es der Ofen, daß die Gewichtsabnahme des Brenngutes ohne fehlerverursachende Krafteinwirkungen von außen während des Verbrennungsvorganges kontinierlich und sehr genau erfaßt werden kann.

Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden im folgenden sowie anhand der 1 und 2 näher erläutert.
Die 1 zeigt einen Querschnitt des Verbrennungsofens für das Verfahren im Betriebszustand mit angesetztem Unterteil und
die 2 denselben mit entferntem Unterteil und den Isolierdeckel für dieses.
Gemäß der 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 Rahmen 14 liegende Ofenunterteil 1 mittels des auf einer Quertraverse 11 angebrachten und den Rahmen 14 von unten stützenden Hubwerkes 10 abgesenkt bzw. angehoben und an das Oberteil 1 angedrückt werden kann. Die Quertraverse 11 sitzt in dem vorzugsweise dreibeinig ausgebildeten Ofengestell 12 und ist Bestandteil desselben. Das Ofenoberteil ist ebenfalls mit einer weiteren Traverse 11 starr in dem Gestell 12 aufgehängt, so daß beide Ofenunterteile 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 2) horizontal verschoben werden kann. Auf derselben Schiene 29 läuft noch ein zweiter verfahrbarer Wagen 32, auf welchem über einem weiteren Rahmen 31 ein Isolierdeckel 9 liegt, der über die Vorheizkammer 6 gelegt werden kann und diese beim Aufheizen nach oben dicht verschließt.
Der Ofen wird von oben bis unten von einem Kanal 7 durchsetzt, dessen Teilstück im Ofenoberteil 1 den Probenraum 8, der gem. der 1 das Brenngut 3 enthält, bildet. Das untere Teilstück des Kanales 7 im Ofenunterteil 2 bildet die Vorheizkammer 6 und ist mit einem Isolierstück 17 verschlossen. In dem Isolierstück 17 befindet sich der Primärluftanschluß 16. Der untere Teil des Kanales 7 im Ofenunterteil 2, wird von dem Zy linder 33 gebildet, um welchen eine Zusatzheizung 30 angeordnet ist. Das Brenngut 3 liegt auf dem, den Probenraum 8 nach unten abschließenden Feuerungsrost 4, der aus einem für die Wärmestrahlung durchlässigen Stahlnetz besteht. Als Strömungsgleichrichter dient eine gasdurchlässige, nicht dargestellte Stahlfritte in der Vorheizkammer 6 unmittelbar über dem Lufteinlaß 16. Unterhalb des Rostes 4 im Probenraum 8 ist die Vorheizkammer 6 im Unterteil 2 angeordnet, an welcher Durchführungsrohre 23 sitzen. Eine Isolierung 24 umgibt den Vorheizraum 6 und bildet den äußeren Teil des Ofenunterteils 2. An der Oberseite des Ofenunterteiles 2 ist über der Vorheizkammer 6 in einer Ausnehmung noch ein Schieber 13 vorgesehen, der den Probenraum 8 nach unten 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 Fasermaterialisolierung 19 umgeben sind. Am oberen Ende des Kanales 7 schließt sich eine nicht mehr dargestellte Kaminanlage 20 an, an die der Ofen momenten- bzw. kräftefrei z.B. über einen Zwischenspalt angeschlossen ist. Um den Probenraum 8 herum ist in der Wandung bzw. hinter den Halbschalen 18 eine ringförmige elektrische Heizung 21 vorgesehen. Im Bereich dieser Heizung sind durch die Isolierung 19 bzw. die Halbschalen 18 Durchführungsrohre 23 aus Keramik durchgeführt, sie führen nach außen durch die Isolierung 19 und können zur zusätzlichen Beheizung des Brenngutes 3 im Probenraum 8 und/oder zur Zufuhr von Zusatzluft dienen. Weiter hin dienen diese Rohre 23 für die Entnahme von Gasen aus dem verbrennenden Brenngut 3 zur Rauchgasanalyse.
Ähnliche Durchführungsrohre 23 befinden sich auch im Ofenunterteil 2, mittels welcher zusätzlich Brennerlanzen zu einer Stützheizung in den Brennraum 6 eingebracht werden können. Die Rohre 22 dienen weiterhin auch zu Analysezwecken. Die Leitungen, die an die Durchführungsrohre 22 und 23 von außen angeschlossen sind, sind in den Figuren nicht mehr dargestellt, sie gehören zu der Peripherie des Ofens und sind mit den Rohren 22 und 23 momenten- und kräftefrei z.B durch weiche, flexible Schläuche verbunden.
Der gesamte Ofen mit Ofenunter- und Ofenoberteil 1 und 2 liegt mit den Stahlfüssen 25 des Gestelles 12 auf Druckmeßdosen 26 als Wägezellen, die sich gegenüber dem Boden 27 abstützen und somit das gesamte Gewicht des Ofens erfassen. Da dieser an seine Peripherie kräfte- und momentenfrei angeschlossen ist, läßt sich mit ihnen jede Gewichtsveränderung durch den Verbrennungsvorgang 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 des Brenngutes 3 von unten her mit Zündung des Verbrennungsvorganges durch Strahlungsübertragung der Wärme aus der unter der Probe gelegenen Vorheizkammer 6 verbrannt. Dieses Verfahren bezeichnet man als "Overfeed-Combustion Mode", bei dem die Verbrennungsluft das Brennstoffgutbett von unten durchströmt und die Verbrennungsrichtung parallel zum Verbrennungsluftstrom läuft. Dieser Zustand wird in Öfen dadurch erzeugt, daß einem brennenden Gutbett frischer Brennstoff von oben her zugeführt wird (overfeed). Er ist gekennzeichnet dadurch, daß gasförmige Verbrennungsprodukte bei hoher Temperatur und Sauerstoffmangel mit dem frischen Brennstoff in Kontakt kommen und eine Reaktion einleiten. Während der Verbrennung werden bei dem neuen Verfahren gleichzeitig die Gewichtsveränderung des Brennstoffes sowie weitere Verbrennungsparameter erfaßt.
Bei dem Verfahren wird die Probe des Brenngutes 3 zunächst in den wärmeisolierten Probenraum 8 über dem Rost 4 des vom Ofenunterteil 2 getrennten Ofenoberteiles 1 gebracht und dort auf Raumtemperatur gehalten. Gleichzeitig erfolgt ein sepa rates und gleichmäßiges Aufheizen der wärmeisolierten und von dem Probenraum 8 getrennten und durch den aufgelegten Isolierdeckel 9 solange nach außen abgeschlossenen Vorheizkammer 6 im Ofenunterteil 2 auf die vorgegebene Zündtemperatur. Dabei wird der Rauchgasweg zum Kamin 20 auf nicht dargestellte Weise verschlossen.
Danach wird die Vorheizkammer 6 nach Erreichen des thermischen Gleichgewichtes im Ofenunterteil 2 durch Wegnehmen des Isolierdeckels 9 geöffnet und der Probenraum 8 durch Andrücken des Ofenunterteiles 2 an das Ofenoberteil 1 von unten an den Probenraum 8 angeschlossen. Zu Versuchsbeginn muß noch der Schieber 13 geöffnet werden. Das Ofenoberteil 1 wird somit in getrenntem Zustand mit dem Brenngut 3 gefüllt. Zeitgleich wird die indirekte Aufheizung des Ofenunterteiles 2 auf Zündtemperatur mittels der Heizung 30 durchgeführt. Nach Erreichen eines thermischen Gleichgewichtszustandes des Unterteiles 2 werden Ober- und Unterteil 1 und 2 auf die beschriebene Weise miteinander gasdicht gekoppelt. Während dieses Koppelvorganges wird die Unterfläche des Brennstoffgutbettes nach unten durch den die Strahlung abschirmenden Stahlschieber 13 verdeckt, damit die Strahlungshitze den Brennstoff nicht entzündet, bevor die Verbindung zwischen Ober- und Unterteil 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 Sekunden, so daß das Temperaturfeld in der Vorheizkammer 6 dabei nur wenig gestört wird.
Das Brenngut 3 wird nun durch die Strahlungsübertragung aus dem Unterteil 2 gezündet, der Rauchgasweg zum Kamin 20 ist wieder geöffnet. Die Primärluft für die Verbrennung des Brenngutes 3 wird durch den Rost 4 zugeführt. Durch die Porosität des nicht dargestellten gesinterten Gleichrichters oberhalb des Lufteinlaßes 16 wird eine Gleichrichtung der Strömung erreicht. Das Brenngut brennt unter diesen Bedingungen von unten nach oben ab. Durch die Durchführungsrohre 22 im Ofenoberteil 1 kann während des Brennvorganges zusätzlich Sekundär- und Tertiärluft eingeblasen werden. Weiterhin kann die Vorheizkammer 6 zu Beginn oder während der ablaufenden Verbrennung zusätzlich beheizt werden, ebenso der Probenraum 8 mittels der Heizung 21.
Für die meßtechnische Erfassung der Versuche wird die Gewichtsabnahme des Brenngutes 3 kontinuierlich mit Hilfe der Druckmeßdosen bzw. Wägezellen 25 ermittelt. Mittels der Durchführungsrohre 22 und 23 können dabei Gasproben aus und vor der abbrennenden Brennstoffschicht gezogen, sowie der Temperaturverlauf über die Höhe des Gutbettes 3 gemessen werden. Nicht benutzte Öffnungen werden dabei verschlossen.

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

Claims

Verfahren zur Simulation des Verbrennungsablaufes von Brenngut im "Overfeed"-Prinzip auf dem Feuerungsrost einer Verbrennungsanlage durch Verbrennen einer Probe des Brenngutes mit Zündung des Verbrennungsvorganges durch Strahlungsübertragung der Wärme und gleichzeitige Erfassung ihrer Gewichtsveränderung und anderer Verbrennungsparameter, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: a) Einbringen der Probe in einen über dem Brennraum gelegenen, wärmeisolierten Proberaum und Halten der Probe auf Raumtemperatur, b) separates und gleichmäßiges Aufheizen einer wärmeisolierten und von dem Probenraum getrennten, unter ihm gelegenen und nach außen abgeschlossenen Vorheizkammer in einem Ofen auf die vorgegebene Zündtemperatur, c) Öffnen der Vorheizkammer nach Erreichen der Zündtemperatur mit Temperaturgleichgewicht und Anschließen des unten geöffneten Probenraumes von oben an die geöffnete Vorheizkammer,
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorheizkammer zu Beginn oder während der ablaufenden Verbrennung zusätzlich beheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Probenraum zu Beginn oder während der ablaufenden Verbrennung zusätzlich beheizt wird.
Verbrennungsofen zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1, 2 oder 3 mit zwei übereinander angeordneten Teilen, von denen das Unterteil gegenüber dem Oberteil an einer Trennlinie wegbewegbar und ein Kaminabzug für die Brenngase über der Verbrennungszone vorhanden ist, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: d) der Rost mit dem Probenraum zur Aufnahme des Brenngutes ist im Oberteil (1) des Ofens angeordnet, die zur Zündung des Verbrennungsvorganges beheizbare Vorheizkammer (6) im Unterteil (2) desselben, e) 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 Teilstück im Unterteil (2) mit der Vorheizkammer (6) nach Wegbewegen des Unterteiles (2) mittels eines Isolierdeckels (9) an der Trennungslinie (5) von oben abdeckbar ist, f) 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.
Verbrennungsofen nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale: g) durch die Isolierwand (24) neben dem Kanal des Unterteiles (2) sind im Bereich der Vorheizkammer (6) zusätzlich verschließbare Durchführungsrohre (23) zur Zu- und Abfuhr von Gasen oder für Meßleitungen vorhanden.
Verbrennungsofen nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale: h) die Vorheizkammer (6) im Unterteil (2) ist von einer elektrischen Heizung (30) umgeben.
Verbrennungsofen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Feuerungsrost (4) aus einem strahlungsdurchlässigen Stahlnetz besteht.
Verbrennungsofen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rost (4) in der Höhe verstellbar ist.
Verbrennungsofen nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch das weitere Merkmal: i) oberhalb der Vorheizkammer (6) im Unterteil (2) ist ein seitlich wegschwenkbarer thermisch abschirmender Schutzdeckel (13) vorhanden.