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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verbesserung
des Verbrennungsvorgangs und des Wärmeübergangs in einem Heizkessel.
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Die
Erfindung betrifft eine Verbrennung, die in Energieerzeugungsanlagen,
Wärmeöfen, Heizkesseln
und anderen derartigen Verbrennungsräumen stattfindet, und die Verbesserung
einer solchen Verbrennung. Im Folgenden wird die Bezeichnung Heizkessel
für diese
Anwendungsobjekte der Erfindung verwendet.
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Die
Verbrennung ist ein komplexer Vorgang, der von mehreren unterschiedlichen
Faktoren wie der Teilchengröße des Brennstoffs,
der Verbrennungstemperatur und dem Aufbau des Heizkessels abhängt. Der
beim Verbrennungsvorgang verwendete Brennstoff wird oxidiert, wodurch
sich Wärme
ergibt. Bei typischen Verbrennungstemperaturen hängt die Verbrennung von warmer
fester Materie von der Geschwindigkeit ab, mit der Sauerstoff in
die Oberfläche
der Materie verteilt wird. Wenn die Verbrennung fortschreitet, werden
die Teilchengröße und die
Teilchenmasse verringert. Wenn Kohlenstoff verbrannt wird, ergibt
die Verbrennung Kohlenmonoxid, das bei der weiteren Verbrennung
zu Kohlendioxid wird.
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Es
ist ein bekanntes Verfahren, den Verbrennungsvorgang zu verbessern,
indem bewirkt wird, dass Turbulenzen im Verbrennungsraum auftreten, um
die Bewegung der Materie und den Wärmeübergang bei der Verbrennung
zu verbessern. Bei den bekannten Lösungen treten jedoch noch Probleme
bei der Been digung der Verbrennung auf, die in Energieerzeugungsanlagen,
Wärmeöfen und
Heizkesseln und weiteren derartigen Anlagen stattfinden. Es ist schwierig,
Turbulenzgeneratoren wie Rührwerke
herzustellen, um hohe Temperaturen zu erreichen, die sich typischerweise
in einem Bereich von 600–1000°C befinden.
Im Besonderen treten Probleme bei der Verbrennung von nicht flüchtigen
Kohlenstoffteilchen auf.
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US-A-5
785 012 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbessern
der Wirksamkeit der Verbrennung durch die Verwendung von akustischer
Energie. In dem Dokument wird die Erzeugung von akustischen Längswellen
in einer Verbrennungskammer beschrieben, indem ein Schalltrichter
auf die Oberseite der Verbrennungskammer platziert wird.
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US-A-4
699 588 schildert ein pulsierendes Verarbeitungssystem für thermische,
chemische und physikalische Materialverarbeitung wie Kalzinieröfen, industrielle
Trocknungsanlagen und Kessel. Das System verwendet akustische Nicht-Längswellen in einer runden Verarbeitungskammer
durch Verwendung von ein oder zwei Schallquellen. Das Verfahren betrifft
hauptsächlich
Trocknungsverfahren wie das Trocknen von Schlammmaterialien wie
Kaolin.
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Die
Verbesserung der Verbrennung ist auch mit der Reinigung der Wärmeübergangsflächen des Heizkessels
verbunden, um Ascheteilchen und nicht verbrannte Kohlenstoffteilchen
davon zu entfernen. Die akustische Reinigung ist ein bekanntes Reinigungsverfahren,
wobei Schallquellen in den Wärmeübergangsteilen
des Heizkessels platziert werden und periodisch bei Intervallen
von jedes Mal etwa 2–15
Minuten für
wenige Sekunden ein Schall erzeugt wird. Eine akustische Reinigungsvorrichtung ist
zum Beispiel durch die Veröffentlichungen WO-82/01
328 und WO-82/03 803 bekannt.
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Der
Zweck der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur
Verbesserung des Verbrennungsvorgangs in einer derartigen Weise
zu bewirken, dass die Verbrennung vollständiger ist und Emissionen verringert
werden.
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Ein
weiterer Zweck der Erfindung ist es, eine Vorrichtung einer neuen
Art zu bewirken, wobei eine Schallquelle auf der Basis eines Impulsbrenners
als die Schallquelle verwendet wird.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Verbesserung des Verbrennungsvorgangs und des Wärmeübergangs
in einem Heizkessel ist hauptsächlich dadurch
gekennzeichnet, dass der Raum über
der Hauptverbrennungszone im Verbrennungsraum des Heizkessels mit
Schallquellen ausgerüstet
ist, die ein akustisches Feld erzeugen, um den Verbrennungsvorgang
zu verbessern und eine vollständigere
Verbrennung zu erreichen, und dadurch, dass die Schallquellen in
einer derartigen Weise angeordnet sind, dass sich die durch die
Schallquellen erzeugten Schalldruckmuster in Winkeln von 20–90° seitlich und/oder
vertikal treffen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist für
seinen Teil dadurch gekennzeichnet, dass in einem Raum über der
Hauptverbrennungszone im Verbrennungsraum des Heizkessels ein rotierendes
akustisches Feld durch Schallquellen erzeugt wird, die sich an unterschiedlichen
Seiten und/oder in unterschiedlichen Höhen des Heizkessels befinden.
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Bei
der erfindungsgemäßen Anordnung
wird der Verbrennungsvorgang in einer derartigen Weise in einem
Heizkessel verbessert, dass ein akustisches Feld auf einen Raum über der
eigentlichen Hauptverbrennungszone gerichtet ist. Materie, die sich
an dieser Stelle verflüchtigt,
ist zum größten Teil
bereits durchgebrannt, wobei aber etwas Kohlenstoff in der Form
von kleinen Teilchen verbleibt, die noch nicht verbrannt sind. Das
akustische Feld ist vorzugsweise kontinuierlich und wird durch geeignete
Schallquellen, eine oder mehrere, erzeugt, die im Verbrennungsraum
des Heizkessels angeordnet sind. Die Schallquelle ist vorzugsweise
eine Schallquelle auf der Basis eines Impulsbrenners. Durch die
erfindungsgemäße Anordnung
wird der Verbrennungsvorgang in einer derartigen Weise verbessert,
dass aus dem verwendeten Brennstoff mehr Wärme gewonnen wird und sich
weniger Verbrennungsrückstand
ergeben wird. Zur gleichen Zeit wird auch eine sauberere Verbrennung
erreicht, was bedeutet, dass schädliche
Emissionen verringert sind.
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Durch
die Verwendung der erfindungsgemäßen Schallquelle,
die auf einem Impulsbrenner basiert, wird das Problem gelöst, das
mit pneumatisch bedienten Schallquellen verbunden ist, in denen
auf Grund des höheren
Drucks, der im Verbrennungsraum existiert, Staub oder andere Verunreinigungen vom
Verbrennungsraum in die Schallquelle treiben werden. Ein solches
Problem tritt bei einer Schallquelle auf der Basis eines Impulsbrenners
nicht auf.
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Im
Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die in den beigefügten Zeichnungen
gezeigten Abbildungen beschrieben, wobei es aber nicht die Absicht
ist, die Erfindung nur auf die in den Abbildungen gezeigten Ausführungsbeispiele
zu beschränken.
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Es
zeigen:
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1 einen
Heizkessel und die Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung darin;
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2 ein
Beispiel des erfindungsgemäßen akustischen
Feldes;
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3A die
erfindungsgemäße Schallquelle;
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3B ein
Ventil in der erfindungsgemäßen Schallquelle;
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3C eine
Querschnittsansicht der erfindungsgemäßen Schallquelle;
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3D eine
weitere Querschnittsansicht der erfindungsgemäßen Schallquelle.
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1 ist
eine schematische Ansicht eines Heizkessels, in dem das erfindungsgemäße Verfahren
zur Verbesserung des Verbrennungsvorgangs angewandt wird. Die Schallquellen
S befinden sich im Verbrennungsraum 11 des Heizkessels 10.
Der Ort der Anordnung der Schallquellen S ist ein Raum über der
Hauptverbrennungszone vor dem Abkühlen der Verbrennungsgase.
Die verwendeten Schallquellen sind vorzugsweise solche bei der akustischen
Reinigung bekannten Schalltrichter, die eine Lautstärke von
130–170
dB bei einer Frequenz von 20–1000
Hz erzeugen. Die verwendete Schallquelle kann auch eine pneumatisch
bediente, ununterbrochene Sirene oder die erfindungsgemäße Schallquelle
gemäß 3A–D sein,
die auf einem Impulsbrenner basiert. Auf Grund der guten Durchdringungstiefe
wird der gewählte
akustische Frequenzbereich vorzugsweise explizit verwendet, um den
Verbrennungsvorgang zu verbessern. Die Leistung und Frequenz der
Schallquellen S können
innerhalb des gewählten
Bereiches entsprechend der Art und der Größe des Kessels und der Anordnungen
der Schallquellen S geregelt werden. Die Lautstärke wird so gewählt, dass
der durch die Schallquellen S erzeugte akustische Druckpegel an
der Stelle, wo sich die Schalldruckmuster treffen, nicht geringer
als 130 dB ist, wobei die Temperatur im Verbrennungsraum 11 typischerweise über 800°C liegt.
Die Schallquellen S sind im Verbrennungsraum 11 in einer
derartigen Weise platziert, dass sich die Schalldruckmuster, die
sie erzeugen, in Winkeln von 20–90° seitlich
und/oder vertikal treffen werden.
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Bei
einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der
Erfindung werden die Schallquellen S in unterschiedlichen Höhen des
Heizkessels 10 platziert, wobei bei der Aufwärtsbewegung
im Verbrennungsraum 11 die Frequenz der Schallquelle S
erhöht
wird, während
der Durchmesser und die Masse von festen Teilchen weiter vorn im
Verbrennungsraum 11 abnehmen. Hier durch wird die gewünschte Wirkung
zur Verbesserung des Verbrennungsvorgangs auf einem Optimum gehalten.
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Bei
einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung
werden die Schallquellen 5 in einer derartigen Weise im
Heizkessel 10 platziert, dass sich das resultierende akustische
Feld dreht. 2 veranschaulicht ein solches
rotierendes akustisches Feld, das erzeugt wird, indem im Verbrennungsraum 11 des
Heizkessels, der bezüglich seines
Durchmessers eine rechteckige Form hat, vier Schallquellen S angeordnet
sind, die verwendet werden, um das akustische Druckrichtungsmuster
gemäß 2 zu
erzeugen. Ein rotierendes akustisches Feld einer entsprechenden
Art kann auch in einem Heizkessel mit irgendeiner anderen Form erzeugt werden.
Die Anzahl und Anordnungen von Schallquellen S können sich bei der Erzeugung
eines rotierenden akustischen Feldes von denen, die in diesem Beispiel
gezeigt werden, unterscheiden.
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Bei
einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der
Erfindung wird ein Teil der sekundären und/oder tertiären Luft,
die beim Verbrennungsvorgang benötigt
wird, durch die im Heizkessel 10 platzierten Schallquellen
S zugeführt.
Diese zugeführte
Luft fungiert gleichzeitig als Kühlluft
für die
Schallquellen S.
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3A zeigt
eine erfindungsgemäße Schallquelle
SP, die auf einem Impulsbrenner basiert. 3B zeigt
ein Beispiel des Aufbaus eines Ventils V der Schallquelle SP, wobei 3C eine
Querschnittsansicht der Schallquelle SP entlang der in 3A angedeuteten
Linie A–A' und 3D eine Querschnittsansicht
der Schallquelle SP entlang der in 3A angedeuteten
Linie B–B' ist.
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Die
verwendete Schallquelle ist ein Impulsbrenner, der vorzugsweise
mit der Verbrennungsreaktion zwischen einem gasförmigen oder vergasten Brennstoff
und Luft arbeitet und auf dem an sich bekannten "Druckstoß"-Prinzip fungiert. Bei einem solchen
Ausführungsbeispiel
weist die Schallquelle SP eine Vorkammer SP1,
in die die Luft unter Druck durch die Montageanordnung L1 zugeführt
wird, eine Verbrennungskammer SP2, in die
eine gasförmige, brennbare
Materie durch die Montageanordnung L2 zugeführt wird,
und einen Schalltrichter SP3 auf. Zwischen
der Vorkammer SP1 und der Verbrennungskammer
SP2 gibt es ein Ventil/einen Ventilsatz
V, dessen Aufbau durch die Querschnittsansicht in 3B gezeigt
wird. Zusätzlich
weist die Schallquelle SP einen oder mehrere Zünder I auf, die sich in der
Verbrennungskammer SP2 befinden. Die Verbrennungskammer
SP2 ist von Kühlvorrichtungen C einschließlich Kühlrippen
c1, ..., cn umgeben.
In die Kühlvorrichtungen
C wird ein Kühlmedium,
vorzugsweise Kühlluft
oder -wasser durch eine Montageanordnung L3 geführt.
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Nach
dem Verbrennungsvorgang wird der Druck der Verbrennungskammer SP2 in den zu reinigenden Raum, das heißt in den
Verbrennungsraum 11, freigegeben.
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Die
verwendeten Zündvorrichtung/-vorrichtungen
I sind vorzugsweise Zündkerzen
oder ein Blitzschuh, der als eine dauerhaft glühende Zündkomponente fungiert.
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Der
Impulsbrenner, der als Schallquelle SP wirkt, verwendet vorzugsweise
bei Beginn Kohlenwasserstoffgas und Luft. Zusätzlich wird bei einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung ein vergastes Gas verwendet, das von dem Teil des
Verbrennungsraums entnommen wird, in dem noch keine sekundäre oder
tertiäre
Luft eingeführt
wurde.
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Die
erfindungsgemäße Schallquelle
bildet einen kontinuierlichen Schalldruck-Impuls, mit dem ein kontinuierlicher,
schneller, impulsähnlicher
Schalldruck in den Verbrennungsraum des Kessels geführt werden
kann.
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Die
Erfindung kann auf alle Arten von Energieerzeugungsanlagen, Wärmeöfen, Heizkesseln und
weiteren solchen Anlagen angewandt werden. Die verwendeten Schallquellen
sind Schalltrichter, die bei der akustischen Reinigung bekannt sind,
wobei aber auch Schallquellen anderen Arten verwendet werden können.
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Das
folgende ist eine Darstellung der Ansprüche, wobei die Erfindung aber
nicht nur auf die unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die in den Ansprüchen dargestellt
werden, eingeschränkt
sein soll.