DK148668B

DK148668B - Boiler for combustion of solid fuels capable of emitting flammable gases

Info

Publication number: DK148668B
Application number: DK236582A
Authority: DK
Inventors: Lars Leksander Slyn Joergensen
Original assignee: Lars Leksander Slyn Joergensen
Priority date: 1982-05-26
Filing date: 1982-05-26
Publication date: 1985-08-26
Also published as: NO153346C; DK236582A; JPS59500983A; WO1983004296A1; NO840227L; DK148668C; FI840189A; NO153346B; EP0110906B1; EP0110906A1; DE3362762D1; FI73813B; FI73813C; FI840189A0

Description

i 148668 5 Opfindelsen vedrører en kedel til forbrænding af fast brændsel, der kan afgive brændbare gasser, og som angivet i krav l's indledning.The invention relates to a boiler for combustion of solid fuel which can give off combustible gases and as stated in the preamble of claim 1.

Kedler af denne art har tidligere været meget almin-10 deligt udbredt og er efter de senere års voldsomme prisstigninger på brændselsolie og naturgas atter blevet økonomisk attraktive, specielt til større fyringsanlæg. Af stor interesse er ikke mindst kedler til forbrænding af kul, der ved opvarmning afgiver brænd-15 bare gasser, fordi kul prismæssigt er et attråværdigt brændsel og forventes at vedblive at være det i en længere årrække. Det er kendt, at kulforbrændende kedler af kendt konstruktion normalt har virkningsgrader på ofte maksimalt 78 t af det teoretiske 20 varmeindhold i kullet, noget afhængivt af kullets art og kedlens konstruktion.'Arsagen til, at virkningsgraden ikke bliver højere , er at de brændbare gasser, som afgives af kullene i vidt omfang går u-forbrændte ud i skorstenen og tabes. Kun i højtryks-25 kedler, hvor brændkammertemperaturen er meget høj, og hvor temperaturen i kedlens udhrændingsåbning derfor ligger væsentligt over gassernes antændelsestemperatur, opnår man i almindelighed en fuldstændig forbrænding af de afgivne gasser med sekundær 30 luft og en virkningsgrad på omkring 90 %. I kedler til vandopvarmning kendes imidlertid ingen effektiv og billig konstruktion til opnåelse af en sådan virkningsgrad.Boilers of this kind have been widely used in the past and have become economically attractive, especially for larger combustion plants, after the recent price rises on fuel oil and natural gas. Of great interest is not least the boilers for combustion of coal which, on heating, emit combustible gases, because coal is a desirable fuel in terms of price and is expected to remain so for a number of years. It is known that coal burning boilers of known construction usually have efficiencies of often a maximum of 78 tonnes of the theoretical 20 heat content of the coal, depending on the nature of the coal and the boiler's design. 'The reason why the efficiency does not increase is that the combustible gases which is released by the coal to a large extent goes unburned into the chimney and is lost. Only in high-pressure boilers, where the combustion chamber temperature is very high, and where the temperature in the boiler's firing opening is substantially above the ignition temperature of the gases, a complete combustion of the gases emitted with secondary air of 30 and an efficiency of about 90% is generally achieved. However, in water heating boilers no efficient and inexpensive design is known to achieve such efficiency.

35 2 U8S68 1 Fra beskrivelsen til USA patent nr. 983.510 kendes en kedel til fast brændsel, hvilken kedel har en tænd-bue samt et loft, der kan betragtes som en art strålingsskjold. Mellem strålingsskjoldet og tændbuen 5 indblæses luft, der passerer mellem stenene i tændbuen og ned mod ildstedet. Herved fås nok en forbedret forbrænding, men samtidig en stor røggashastighed mod røgrøret, så gasserne ikke kan nå at brænde helt.35 2 U8S68 1 From the specification to US Patent No. 983,510 there is known a solid fuel boiler which has a spark arc and a ceiling which can be considered as a kind of radiation shield. Air is passed between the radiation shield and the spark arc 5 passing between the stones in the spark arc and down towards the fireplace. This results in an improved combustion, but at the same time a large flue gas velocity against the flue pipe, so that the gases can not burn completely.

1010

Det er opfindelsens mål at anvise en konstruktion, der anvendt i forbindelse med kedler til opvarmning af vand ved afbrænding af fast brændsel, som afgiver brændbare gasser, specielt kul, resulterer i en 15 effektiv forbrænding af de afgivne, brændbare gasser og dermed i, at man opnår ønskede, høje virkningsgrader. Det tilføjes, at konstruktionen ifølge opfindelsen kan anvendes i forbindelse med forskellige fyringssystemer, f.eks. vandrer!stfyring, stokerfy-20 ring o.a.It is an object of the invention to provide a structure used in connection with boilers for heating water by burning solid fuel which gives off combustible gases, especially coal, resulting in an efficient combustion of the released combustible gases and thus one obtains desired, high efficiency. It is added that the construction according to the invention can be used in connection with various firing systems, e.g. wandering!

Ifølge opfindelsen opnås den ønskede virkning med en kedel, der er udformet som angivet i krav lfs kendetegnende del. Fordelen ved at anbringe et nedad 25 skrånende, rimeligt røggastæt strålingsskjold på den angivne måde er, at de brændbare gasser, som fortrinsvis afgives i det af strålingsskjoldet dækkede område, stiger op under dette, blandes med sekundær luft, der tilledes til dette område på grund af den 30 øgede vægt ved luftiblandingen synker nedad mod det antændte brændsel og antændes, fordi rummet under strålingsskjoldet har en høj temperatur (såvel en høj lufttemperatur som en høj strålingstemperatur), inden blandingen af sekundær luft og brændbare gas-35 148668 3 1 ser når frem til den relativt smalle udbrændingsåbning bagest i kedlen. Da de brændbare gasser således bliver antændt og fuldstændigt forbrændt inde i brænd-kammeret i kedlen, er det muligt med kedler af iøv-5 rigt kendt opbygning at opnå samme høje virkningsgrad, som er kendt fra olie- eller gasfyrede kedler og fra kulfyrede højtrykskedler.According to the invention, the desired effect is achieved with a boiler which is designed as defined in claim 1. The advantage of placing a downwardly sloping, reasonably flue-gated radiation shield in the manner indicated is that the combustible gases, which are preferably emitted in the area covered by the radiation shield, rise below it, are mixed with secondary air admitted to this area due to of the 30 weight added to the air mixture sinks down towards the ignited fuel and ignites because the space below the radiation shield has a high temperature (both a high air temperature and a high radiation temperature) before the mixture of secondary air and combustible gas-35 up to the relatively narrow burnout opening at the back of the boiler. Thus, since the combustible gases are ignited and completely combusted inside the combustion chamber of the boiler, it is possible with boilers of generally known construction to achieve the same high efficiency known from oil or gas-fired boilers and from coal-fired high-pressure boilers.

Det er en fordel, såfremt strålingsskjoldet bygges 10 ud, som angivet i krav 2, så det strækker sig mere end halvvejs bagud mod kedlens bagvæg, og især, hvis det når ud mindst 3/5 af afstanden til kedlens bagvæg efterladende en udbrændingsåbning på 2/5 eller mindre af kedlens længde. Fordelen herved er, at den 15 lange udstrækning øger gassernes gennemsnitlige opholdstid i dette område, hvor de kan antændes, og dermed øges også muligheden for en høj virkningsgrad i kedlen. Hvor langt præcist strålingsskjoldet skal være afhænger af selve kedlens konstruktion og 20 af det benyttede brændsel, men en rigtig længde findes på enkel måde af fagmanden bl.a. ved at udtage røggasanalyser.It is an advantage if the radiation shield is expanded 10 as set forth in claim 2 so that it extends more than half way backward toward the back wall of the boiler, and especially if it reaches at least 3/5 of the distance to the back wall of the boiler leaving a burnout opening of 2 / 5 or less of boiler length. The advantage of this is that the 15 long extension increases the average residence time of the gases in this area where they can ignite, thus increasing the possibility of a high efficiency in the boiler. How far the radiation shield must be exactly depends on the structure of the boiler itself and 20 of the fuel used. by taking flue gas analyzes.

Den i krav 3’s kendetegnende del anførte måde at op-25 hænge strålingsskjoldet på, er særlig fordelagtig ved, at den bærende konstruktion for strålingsskjoldet samtidig er hedeflade i kedelkonstruktionen, hvorfor materialerne herved samtidigt opfylder flere funktionsformål, hvilket bidrager til en billig to-30 talkonstruktion.The method of claiming the radiation shield according to claim 3, is particularly advantageous in that the radiation shield supporting structure is at the same time hot surface of the boiler structure, and the materials thereby simultaneously fulfill several functional purposes, which contributes to an inexpensive dual structure. .

Opfindelsen kan endelig være udformet på den i krav 4 anførte måde. Fordelen ved de løst anbragte, men fastholdte elementer er, at det dels er let at fore-35 4 148868 1 tage udskiftning, når dette efter en vis driftstid er påkrævet, dels er det også på enkel og hurtig må-. de muligt, at ændre strålingsskjoldets størrelse ved udtagning eller indsætning af nogle keramiske 5 elementer. Dette sidste kan være fordelagtigt, så-. fremt der skiftes mellem brændselsarter med forskelligt gasindhold og varierende antændelsestemperatur i de afgivne gasser, - 10 Opfindelsen beskrives nedenfor detaljeret ved en fo--retrukken udførelsesform og med henvisning til tegningen, der viser et plant, lodret længdesnit gennem en kedel ifølge opfindelsen.Finally, the invention may be embodied in the manner set forth in claim 4. The advantage of the loosely mounted but retained elements is that it is easy to obtain replacement when it is required after a certain operating time, and partly in a simple and rapid manner. they are possible to change the size of the radiation shield by removing or inserting some ceramic 5 elements. This last can be advantageous, so-. The invention is described below in detail in a preferred embodiment and with reference to the drawing which shows a planar vertical longitudinal section through a boiler according to the invention.

15 Kedlen betegnes i sin helhed med 1. Tændbuen 2 er placeret ved inføringsåbningen for det faste brænd-- sel, der i denne kedel fremføres på en vandrerist, . der er underlag for i.ldstedet 10- i brændkammeret 11.15 The boiler is denoted in its entirety by 1. The spark plug 2 is located at the feed opening of the solid fuel conveyed in this boiler on a walking grate,. there are foundations for the fireplace 10- in the combustion chamber 11.

- Fra brændkammerets forvæg 6 strækker strålingsskjol- 20 det 3 ifølge opfindelsen sig fra en linie over tænd-. buen 2 røgtæt og med røgtæt tilslutning tilbrænd-. kammerets il forvæg 6 og to sidevægge nedad skrånende ind over ildstedet 10.Strålingsskjoldet 3 er opbygget af formtilpassede, keramiske elementer 4, der 25 ér sammensat til ikke-selvbærende skjold, der bæres af et antal parallelle rør 5, som skråner opad fra brændkammerets 11 bagvæg 7, hvor hvert rør 5 i den _ bærende konstruktion med sit indre er i åben forbindelse med kedelbagvæggens vandkammer. Forrest i ked-30 len 1 er rørene 5» der bærer strålingsskjoldet 3 på - tilsvarende måde, hver for sig forbundet med vandkam- .mereti kedelforvæggen. Med denne opbygning kan kede lv andet, hjulpet af sifon effekten, frit strømme skråt opad gennem rørene og herved holde disse til-35 .- From the front chamber 6 of the combustion chamber, the radiation shield 3 according to the invention extends from a line across the ignition. arc 2 smoke-proof and with smoke-proof connection burn-. chamber il's front wall 6 and two side walls downwardly sloping over the fireplace 10. The radiation shield 3 is made up of shape-matched ceramic elements 4 which are assembled into non-self-supporting shields carried by a plurality of parallel tubes 5 which slope upwardly from the combustion chamber 11 back wall 7, wherein each tube 5 of the supporting structure with its interior is openly connected to the boiler wall water chamber. At the front of the boiler 1, the pipes 5 "carrying the radiation shield 3 are - in a corresponding manner, each separately connected to the water chamber in the boiler front. With this structure, bored lv else, aided by the siphon effect, can freely flow obliquely upwards through the pipes, thereby holding these to -35.

148668 5 1 strækkeligt afkølede under kedlens drift, således at de ikke mister deres bæreevne. De i den viste kedel 1 benyttede, bærende rør 5 bar et cirkulært tværsnit, men andre tværsnit f.eks. ovale eller rektan-5 gulære kan også benyttes. De formtilpassede, keramiske elementer 4 har hvert et breddemål vinkelret på det i tegningen viste længdesnit, som er lig afstanden mellem rørene 5. Elementernes 4 tværsnit i retningen vinkelret på rørene 5 har timeglaslignende 10 form, idet der i hver side af hvert element 4 er udformet en langsgående rille eller not med en størrelse og form, der i hovedsagen svarer til de bærende rørs 5 halve tværsnit. Elementerne 4 er med deres således tilpassede form hængt på rørene 5 og slutter, 15 når kedlen er i drift og elementerne er opvarmede, så tæt sammen, at røgafgangen i hovedsagen tvinges bagud i kedlen. Under tændbuen 2 er der gennem brænd-kammerets 11 forvæg 6 ført en tilledning 9 for sekundær luft.During the operation of the boiler so that they do not lose their carrying capacity. The supporting tubes 5 used in the shown boiler 1 carried a circular cross section, but other cross sections e.g. oval or rectangular yellow can also be used. The molded ceramic elements 4 each have a width dimension perpendicular to the longitudinal section shown in the drawing which is equal to the distance between the pipes 5. The cross sections of the elements 4 in the direction perpendicular to the pipes 5 have hourglass-like shape, with each side of each element 4 being formed a longitudinal groove or groove having a size and shape substantially equal to the half-section of the supporting tubes 5. The elements 4, with their thus adapted form, are hung on the pipes 5 and end, 15 when the boiler is in operation and the elements are heated so close together that the smoke discharge is substantially forced backwards into the boiler. Under the spark plug 2, a lead 9 for secondary air is passed through the front wall 6 of the combustion chamber 11.

2020

Kedlen 1 fungerer i store træk som kendte kedler til fast brændsel, og her skal kun beskrives den forskel i virkemåde, som skyldes strålingsskjoldet 3 ifølge opfindelsen og dets samvirken med tændbuen 2.The boiler 1 functions broadly as known solid fuel boilers, and here only the difference in operation due to the radiation shield 3 according to the invention and its interaction with the spark plug 2 must be described.

2v2w

Strålingsskjoldet 3 standser de fra ildstedet 10 forreste ende opstigende, brændbare gasser og røggasser og tvinger dem bagud i brændkammeret 11, hvor de forenes med de fra ildstedets 10 bageste del op-30 stigende gasser og overskudsluft og strømmer gennem udbrændingsåbningen 8, herfra frem gennem kedlen og ind i røgrørene. På denne måde etableres en hensigtsmæssig, ensartet gasafstrømning fra ildstedet; samtidigt opnår man med den viste konstruktion også 35 148668 6 1 en varmeafgivelse til kedelvandet, der strømmer gennem rørene 5. En overraskende og fordelagtig virkning er det, at man med det i det væsentlige røggastætte, noget varmeisolerende skjold af keramisk ma-5 teriale eller lignende får en overflade med en for en vandkedel relativt høj overfladetemperatur.The radiation shield 3 stops the flammable gases and flue gases rising from the front end of the fireplace 10 and forces them back into the combustion chamber 11, where they are combined with the gases and excess air rising from the rear of the fireplace 10 and flow through the burner opening 8, from here through the boiler. and into the smoke pipes. In this way, an appropriate, uniform gas flow from the fireplace is established; at the same time, with the construction shown, a heat release to the boiler water flowing through the pipes is also obtained. A surprising and advantageous effect is that with the substantially flue gas, some heat-insulating shield of ceramic material or similarly, a surface having a relatively high surface temperature for a water boiler gets.

Den samlede virkning er, at disse brændbare gasser antændes og derfor kan bidrage til en markant for-10 øgelse af kedlens termiske virkningsgrad. I en kedel med et strålingsskjold som det viste er der således i drift opnået termiske virkningsgrader på omkring 90 %. Det skal tilføjes, at antændelsen af de brændbare gasser kun kan ske, når der i brændkammeret er 15 tilstrækkelig ilt til stede. Denne ilt tilledes hensigtsmæssigt gennem tilledningen 9, hvorved den tilledte luft opvarmes på hensigtsmæssig måde under en udstrømning under tændbuen 2. Andre udformninger af tilledningen kan tænkes, men sekundærluften skal ind-20 føres på en sådan måde og et sådant sted, at den blandes med de brændbare gasser under strålingsskjoldet 3· Det væsentlige ved kedelen er, at der med et strålingsskjold etableres et brændkammerområde, hvori temperaturen, herunder strålingstempera-25 turen, er væsentlig højere end normalt i vandkedler, og i det mindste så høj, at de brændbare gassers antændelsestemperatur er overskredet, og at dette brændkammerområde er etableret over den del af ildstedet, hvorfra i hvert fald hovedparten af de brænd-30 · bare gasser afgives.The overall effect is that these flammable gases ignite and can therefore contribute to a significant increase in the boiler's thermal efficiency. Thus, in a boiler with a radiation shield as shown, thermal efficiencies of about 90% are obtained in operation. It should be added that the ignition of the combustible gases can only occur when sufficient oxygen is present in the combustion chamber. This oxygen is suitably fed through the conduit 9, thereby appropriately heating the entrained air during an outflow under the spark plug 2. Other designs of the conduit may be conceived, but the secondary air must be introduced in such a manner and place as to mix it with the combustible gases below the radiation shield 3 · The essential thing about the boiler is that with a radiation shield a combustion chamber area is established in which the temperature, including the radiation temperature, is substantially higher than normal in water boilers, and at least as high as that of the combustible gases. ignition temperature has been exceeded and this combustion area is established over the part of the fireplace from which at least the majority of the burning gas is emitted.

Ved de almindelig kendte kedler med opadstigende strålingsskjold, er der ret snævre muligheder for varierende kedelbelastning, da f.eks. faldende be- 148668 7 1 lastning giver stigende 0^ % i gasserne og medfører således mindre virkningsgrad. Man anbefaler derfor højest en belastningsreduktion på 50 % på varmtvandskedler med stigende strålingsskjold.In the conventional well-known boilers with rising radiation shields, there are quite narrow possibilities for varying boiler load, as e.g. decreasing loading results in increasing 0 ^% in the gases and thus results in less efficiency. Therefore, a 50% load reduction is recommended on hot water boilers with increasing radiation shields.

55

Ved nedadfaldende strålingsskjold som ifølge nærværende opfindelse har det vist sig, at man kan foretage belatsningsreduktioner helt ned til 25 % af fuld belastning og alligevel bibeholde den meget høje virk-10 ningsgrad, fordi virkningsgraden reelt er svagt stigende, når belastningen reduceres, de opadstigende gasser kan nemlig ikke undgå at blive afbrændte, fordi strålingsskjoldet er udformet som foran beskrevet.In case of falling radiation shields according to the present invention, it has been found that load reductions can be made as low as 25% of full load and yet maintain the very high efficiency, because the efficiency is actually slightly increased when the load is reduced, the rising gases can not avoid being burnt because the radiation shield is designed as described above.

15 Por god ordens skyld skal det anføres, at der ved fast brændsel skal forstås al slags fast brændsel, f.ekSi træ, halm, piller, tørv, olivenskaller eller briketter.15 For the sake of good order it must be stated that solid fuel means all solid fuels, eg wood, straw, pellets, peat, olive shells or briquettes.

Claims

148668

A solid fuel boiler (1) which, during heating and / or combustion, emits combustible gases, which boiler has a spark plug (2) at a firing chamber firing opening, and a flue gas radiation shield (above the fireplace (10)) 3) which are substantially flue-gas connected to the front wall (6) and side walls of the combustion chamber (11), and means (9) for supplying secondary combustion air, characterized in that the radiation shield (3) is arranged over the ignition arc (2) and downwardly slopes extend over the fireplace (10) covering a greater portion of this than the spark arc (2) and the secondary combustion air supply line (9) is located. above the fireplace (10) and culminating in the combustion chamber (11) under the ignition arc (2).

1 PATENT REQUIREMENT

Boiler according to claim 1, characterized in that the length of the radiation shield is at least half the distance from the front wall (6) of the combustion chamber (11) to its rear wall (7) and preferably at least 3/5 of this distance. 25th

Boiler according to claim 1 or 2, characterized in that the radiation shield (3) is made up of molded, temperature-resistant elements (4) of ceramic material and that this non-self-supporting radiation shield (3) is suspended in a supporting structure of pipes (5), which, during water flow during boiler operation, is kept cool to such a low temperature as to maintain the carrying capacity of the pipes.