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Gegenstand dieser Erfindung ist eine
zum Umrüsten
eines herkömmlichen Ölkessels
auf feuchten, körnigen
Festbrennstoff dienende Anordnung, bei der ein in die Rauchgaslinie
des Kessels geschalteter, die Rauchgaswärme nutzender Brennstofftrockner
und eine Festbrennstoff-Verbrennungseinrichtung als Ersatz des Ölbrenners
zum Einsatz gebracht werden. Unter Festbrennstoff sind hier in erster
Linie Sägespäne, Torf
und andere Biobrennstoffe zu verstehen.
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Die herkömmlichen ölbefeuerten Heiz-, Heißwasser-
und Dampfkessel eignen sich schlecht für Festbrennstoffe. Man kennt
verschiedene Vorbrennkammer-Konstruktionen, die jedoch mit mehreren
Mängeln
behaftet sind. Volle Leistung wird in der Regel mit ihnen nicht
erreicht, weil die Brenngase in ihren Eigenschaften beträchtlich
von den Bemessungswerten abweichen. Die Rauchgastemperatur der feuchten
Brennstoff verbrennenden Vorbrennkammer bleibt viel niedriger als
bei der Bemessung entsprechender Ölfeuerung. Der Wasserdampfanteil liegt
beträchtlich über dem
Bemessungswert. Die Situation bessert sich wesentlich, wird der
feuchte Brennstoff vor dem Verbrennen mit Hilfe von Rauchgasen getrocknet,
weil dann die Verbrennungstemperatur und damit auch die Brennleistung
steigt. Bisher konnte jedoch keine praktische und wirtschaftliche
Methode zum Umrüsten
eines Ölkessels
kleiner Leistung von 0,5–10
MW auf Festbrennstoff gefunden werden. Es ist schwierig, einen dem
herkömmlichen Ölkessel
nachgeschalteten Brennstofftrockner zum Funktionieren zu bringen,
weil die Rauchgasendtemperatur zu niedrig ist. Die oben genannten Vorbrennkammer-Lösungen sind
ziemlich ungefüge und
kostspielig. Meistens bleibt bei ihnen der Wirkungsgrad gering und
die maximale Brennleistung weit unter der Nennleistung des Ölkessels.
Staubfeuerung kommt im Allgemeinen wegen der damit verbundenen hohen
Kosten nicht in Frage.
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Der Erfindung liegt die Aufrage zu
Grunde, eine neuartige zum Umrüsten
eines herkömmlichen Ölkessels
auf feuchte, körnige
Festbrennstoffe dienende Anordnung zu schaffen, die auf einfachere Weise
als bisher einen guten Wirkungsgrad und fast die volle Leistung
des umgerüsteten
Kessels liefert. Die kennzeichnenden Merkmale der Erfindung gehen
aus den beigefügten
Patentansprüchen
hervor. Bei dieser Erfindung werden an sich bekannte Lösungen in
einer neuen Kombination genutzt, wobei der Ölkessel auf einfachere Weise
als bisher angenähert unter
Optimalbedingungen betrieben werden kann. Bei gewöhnlichen Ölkesseln
befinden sich im Allgemeinen hinter der Brennkammer mehrere aufeinander
folgende Heizflächen.
Irgendwo zwischen diesen oder sogar hinter dem Feuerraum, zum Beispiel
am Mannloch, kann im Allgemeinen eine Anzapfung, d. h. eine Zwischenentnahme
eingefügt
werden, wobei dann zwecks Erzielens der gewünschten Temperatur, 200–300°C, heißes Rauchgas
in einem gewünschten
Verhältnis
unter die kalten Rauchgase gemischt wird. Als Trockner kann dabei
ein an sich bekannter Umlauftrockner benutzt werden, der zum Beispiel
für den
CMR-Brenner Brennstoff von 10–15 Feuchte
liefert.
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Eine besonders vorteilhafte Anordnung
ihrer Einfachheit wegen erhält
man durch Einsatz eines CMR-Brenners wie er in der PCT-Schrift WO 97/12177
beschrieben ist. Der CMR (Chemi mechanical reactor) eignet sich
ausgezeichnet als Ersatz für den Ölbrenner,
weil er auch mit grobem Brennstoff eine kurze Flamme liefert. Die
bekannten Zyklonschmelzfeuerungen sind dagegen komplizierter und teuerer
auch wenn sie an sich für
diese Anordnung geeignet sind.
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Im Folgenden wird die Erfindung unter
Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen, die einige Ausführungsformen
der Erfindung zeigen, beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
mit CMR-Brenner arbeitende Kes-selanlage;
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2 eine
mit Vergaser und Gasbrenner arbeitende Kesselanlage;
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3 die
Lösung
von 1 in genauerer Darstellung;
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4 den
Rauchgas- und Anzapfanschluss in einem konventionellen Flammrohr-Rauchrohr-Kessel.
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Die beste Ausführungsform der Erfindung umfasst.
einen Ölkessel 1,
einen CMR-Brenner 2 und einen in die Rauchgaslinie 6 geschalteten
Brennstofftrockner, insbesondere einen Umlauftrockner 4 mit Partikelabscheider 3; 1 Die Konstruktion des CMR-Brenners
ist in der finnischen Patentschrift 98854 im Einzelnen beschrieben.
In ihm wird für
den groben Brennstoff eine selektive Verweilzeit dergestalt geschaffen,
dass die groben Teilchen länger
in der Wirbelkammer verweilen bis sie die Größengrenze unterschritten haben.
Die Flammenlänge
wird namentlich durch den Umstand kurz gehalten, dass aus dem Brenner
nur Teilchen austreten können,
die unterhalb der Größengrenze
liegen.
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Einige Umlauftrockner sind in den
finnischen Patentanmeldungen 852594 und 903097 sowie in dem Compendex-Datenbank-Literaturnachweis
Nr. 04252654, Ruottu, Seppo; Sarkomaa, Pertti: „Present State of regenerative
CFB heat exchanger development, Proceedings of the International
Conference on Fluidized bed Combustion, ASME, New York, NY, USA,
vol 1, p. 419–422,
1995 beschrieben. Das Hauptprinzip besteht darin, den zu trocknenden Brennstoff
mit Trocknungsluft so lange umzuwälzen, bis sein spezifisches
Gewicht unter einen Grenzwert sinkt, bei dem er infolge seines geringen
Gewichts zusammen mit der abgehenden Strömung den Abscheidezyklon verlässt. Danach
wird der trockene Brennstoff in einem eigenen Trennungszyklon von den
Rauchgasen getrennt. Eine weitere Trocknungsvorrichtung ist in der
US-Patentschrift 2,939,411 beschrieben.
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Unter Hinweis auf 1 bringt man auch einen einfachen Umlauftrockner
zu sehr effektivem Arbeiten, wenn am Ölkessel eine Rauchgasanzapfung angeordnet
wird, deren Kanal in der Zeichnung mit der Bezugszahl 6.2 belegt
ist, während
der normale Rauchgas-Abzugskanal die Bezugszahl 6.1 trägt. Diese
Kanäle
haben Regelventile, mit denen zwecks Regulierens der Temperatur
des Trocknungsgases heißes
(200–700°C) und kaltes
(100–150°C) Rauchgas
miteinander gemischt werden. Beträgt die Feuchte des Brennstoffs,
z. B. der Sägespäne oder des
Torfs, 45–55%,
so wird in den Umlauftrockner 4 Rauchgas von 200–300°C eingeleitet,
und diese Wärmemenge
reicht aus, die Brennstoffmenge entsprechender Brennleistung unter
mäßigem Luftüberschuss
auf einen Feuchtegehalt von 10–15%
zu trocknen. Hinter dem Abscheider 3 beträgt die Temperatur
der Rauchgase im Abzugskanal 8 lediglich 65–70°C, was der
gesamten Anlage trotz dieses Anzapfens des Kessels einen ausgezeichneten
Gesamtwirkungsgrad (von bis zu 95%) verleiht. Sämtliche außerhalb des Kessels 1 der
Anlage befindlichen Komponenten, Trockner 4, Partikelabscheider 3 und CMR-Brenner 2,
sind von sehr einfacher Konstruktion. Insbesondere das Oberteil
des Trockners 4 und der Partikelabscheider 3 sind
aus nichtrostendem Stahl oder einem anderen korrosionsfesten Werkstoff zu
fertigen, da sich die Rauchgase in der Nähe des Taupunktes bewegen.
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2 zeigt
eine Modifikation der Ausführungsform
von 1. An Stelle des
CMR-Brenners wird nun eine Kombination aus Vergaser 2' und Gasbrenner 2 eingesetzt.
Diese Konstruktion ist komplizierter als die von 1, aber dennoch günstiger als die früheren Lösungen.
Mit trockenem Brennstoff wird auch hier eine hohe Brennleistung
erzielt, da das im Brennstoff enthaltene Wasser nicht mehr durch den
Kessel geführt
wird.
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3 zeigt
das Prinzip der Schaltung von 1 in
detaillierterer Form. Der innere Bau des Partikelabscheiders 3 und
des Umlauftrockners 4 ist schematisch dargestellt. Außerdem sind
die wichtigsten Hilfsvorrichtungen derselben und des CMR-Brenners 2 dargestellt.
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Der herkömmliche Ölkessel, typenmäßig ein Flammrohr-
oder Rauchrohrkessel, ist statt des Ölbrenners mit einem CMR-Brenner 2 ausgerüstet, dessen
Brennstoffversorgung weiter unten beschrieben ist. Als Kessel kommt
auch ein Trommel- oder ein Wasserrohrkessel in Frage. Neben dem
eigentlichen Rauchgasabzug 6.1 hat der Kessel eine Anzapfung 6.2 zur
Abzweigung heißen
Rauchgases. Die Kesselleistung beträgt 80–90% der Nennleistung bei Ölfeuerung.
Im zum Trockner 4 führenden
Rauchgaskanal 6 beträgt
die Temperatur wie gesagt 200–300°C.
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Der feuchte Brennstoff wird vom Lagersilo 10 mit
der Fördereinrichtung 11 über den
Zellenradaufgeber (-schleuse) 12 in den Eintragsstutzen 48 des Trockners
transportiert.
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Der Umlauftrockner 4 besteht
aus den folgenden Hauptteilen: Trocknerrohr 40, Luftverteilungskammer 41,
Luftverteilungsblech auf dieser, Abscheidezyklon 46 mit
oben befindlichen tangentialen Eintrittsöffnungen 45, Fallrohr 43 und
Auslassstutzen 47. Der Brennstoff wird über den o. g. Eintragsstutzen 48 auf
das Luftverteilungsblech 42 gebracht. Größere Brocken
werden bei Bedarf über
den Abführstutzen 49 entfernt.
Mit dem Trocknen des Brennstoffs wird dieser von der kräftigen Strömung nach oben
getragen und gelangt über
die tangentialen Eintrittsöffnungen 45 in
den Zyklon 46, wo das schwerere feuchte Gut über das
Fallrohr 43 zurück
auf das Luftverteilungsblech 42 gelangt während der
mehrmals umgelaufene trockene und nun leichte Brennstoff über den
Auslass 47 abgeht.
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Das Auslassrohr 47 geht über in den
Förderkanal 7,
der das Brennstoff-Luft-Gemisch zum Partikelabscheider 3 transportiert,
der in diesem Fall aus einem auf den Aufgabesilo 34 aufgesetzten
Zyklon 31 besteht. Der Einlaufstutzen 30 ist tangential
angeordnet und bewirkt den für
die Trennung erforderlichen kräftigen
Wirbel. Der Boden des Zyklons 31 ist ein im Vergleich zum
Durchmesser etwas kleinerer Kegel 32, dessen Spitze nach
oben weist. Die Brennstoffpartikel rieseln längs der Kegelflä the zur
Seite hin und weiter in den Aufgabesilo 34. Die zugehörige Förderschnecke 35 einschließlich Zellenradaufgeber (-schleuse)
transportiert den trockenen Brennstoff in den Verbrennungsluft-Ansaugkanal 21 des CMR-Brenners 2.
Das Gebläse 22 saugt
den Brennstoff zusammen mit dem Trägerluftstrom an und befördert ihn
in den Brenner. Der Sekundärluftstrom wird
mit dem Gebläse 23 erzeugt.
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Im CMR-Brenner wird der Brennstoff
zusammen mit einer unterstöchiometrischen
Primärluftmenge
in die Wirbelkammer geleitet, und der Sekundärluftstrom wird als konzentrischer,
den aus der Wirbelkammer austretenden Strom umgebender Wirbel eingeleitet.
Mit der Sekundärluftmenge
wird der Luftfaktor bei Nennleistung im Bereich 1,2–1,35 reguliert.
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In 4 ist
die Anordnung in Verbindung mit einem herkömmlichen Ölkessel detailliert dargestellt. Der Ölkessel
trägt die
Bezugszahl 1 und ist typenmäßig ein Flammrohr-Rauchrohr-Kessel
mit drei Kesselzügen
I, II und III, die auch durch die Bezugszahlen 13, 14 und 15 bezeichnet
sind. Den ersten Zug bildet das Flammrohr 13 selbst. Der
zweite und dritte Zug bestehen aus Rauchrohren. Der CMR-Brenner 2 bläst die heißen Brenngase
in das Flammrohr 13. Am entgegengesetzten Ende befindet
sich die Wendekammer 16, die die Rauchgase in den zweiten
Zug 14 leitet. Am Ende dieses Zugs, zwischen dem zweiten
Zug 14 und dritten Zug 15, befindet sich eine zweite
Wendekammer 17. Am Ende des dritten Zugs befindet sich
die Abzugskammer 18, an die sich der normale Rauchgas-Austrittsstutzen
anschließt.
Die Kammern 16, 17 und 18 haben zum.
Reinigen der Heizflächen
gewöhnlich
ein Mannloch oder lassen sich völlig öffnen.
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Der o. g. normale Rauchgaskanal 6.1 ist
an die Rauchgas-Abz-ugskammer 18 angeschlossen. Wesentlich
vom Standpunkt dieser Erfindung aus ist, dass an dem herkömmlichen Ölkessel
ein Anzapfkanal 6.2 angebracht wird, der an eine der Zwischenkammern,
hier an die Kammer 17, angeschlossen ist. Alternativ könnte dieser
Anzapfkanal auch, falls eine höhere
Anzapftemperatur erforderlich ist, an die Kammer 16, zum
Beispiel über
deren Mannloch, angeschlossen werden, was in 4 als gestrichelter Kanal 6.3 dargestellt
ist. In praktischen Versuchen war die Temperatur hinter dem zweiten
Zug ausreichend, und die geforderte Temperatur von 200–300°C wird unter
allen Belastungsbedingungen vor dem Trockner erreicht. Ein anderer Ölkessel
kann Anzapfung an einer weiter vorn liegenden Stelle erfordern.
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Die Anlage kann mit Rauchgaswäscher oder mit
Wärmerückgewinnungseinrichtung
zur weiteren Verbesserung der Rauchgase bzw. des Wirkungsgrades
ausgerüstet
werden.