EP0057347B1

EP0057347B1 - Heizautomat

Info

Publication number: EP0057347B1
Application number: EP82100088A
Authority: EP
Inventors: Helmut Kleine-Vossbeck
Original assignee: Ruhrkohle AG
Current assignee: RAG AG
Priority date: 1981-01-28
Filing date: 1982-01-08
Publication date: 1985-06-12
Also published as: DE3264092D1; EP0057347A2; DK156147B; DK31382A; EP0057347A3; DK156147C

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Heizautomaten mit Retortenfeuerung und Saugzugventilator für offene Warmwasserheizungen, geschlossene Heizsysteme und Niederdruckdampfanlagen, wobei der Saugzugventilator nach Erreichen einer bestimmten Vorlauftemperatur abgeschaltet wird und das Glutbett in der Retortenfeuerung über den natürlichen Schornsteinzug mit Verbrennungsluft versorgt wird.
Bei derartigen Heizautomaten liegt die Problematik der Verfeuerung von Gasflammkohle in der Emission bzw. in der Schwärzung der Abgasfahne bei ausgeschaltetem Saugzugventilator. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, derartige Emissionen zu vermeiden. Dabei geht die Erfindung von der Überlegung aus, dass der Heizautomat in Intervallen arbeitet. Nach Erreichen der beispielsweise an einem Thermostaten eingestellten Vorlauftemperatur wird der Saugzugventilator abgeschaltet. Das für die Stillstandszeit in der Retortenfeuerung aufgearbeitete Glutbett wird dann nur noch über den natürlichen Schornsteinzug mit wenig Verbrennungsluft versorgt. In der Übergangszone vom entgasten Glutkern auf dem Rost zum grünen Brennstoff vor der Retorte beginnen die Kohlen zu schwelen, so dass unter Sauerstoffmangel eine starke Schwärzung der Abgase eintritt. Hierbei wird minutenlang Bacharach 8 beobachtet.
Bacharach bezeichnet ein Verfahren zur Bestimmung der Russ-Teer-Zahl der von einer Feuerung ausgehenden Emission. Dabei wird aus dem zu untersuchenden Abgas mittels eines speziellen Probenahmegerätes bei einer konstanten Ansauggeschwindigkeit von 4 m/s - bezogen auf eine Abgastemperatur von 320°C und einem Barometerstand von 753 Torr - eine Abgasmenge von 90 Liter entnommen und durch eine Glasfaser-Filterhülse geleitet. Der Kohlendioxidgehalt der Abgase ist unmittelbar nach der Probenahme im Verbindungsstück zu messen. Aus dem festgestellten Gewicht der in der Filterhülse gesammelten Probe ist der Staub-, Russ- und Teergehalt in Milligramm pro Normalkubikmeter Abgas, bezogen auf einen Kohlendioxidgehalt von 12% zu bestimmen.
Bei handbeschickten Feuerungsanlagen beginnt die Messung drei Minuten, nachdem eine Brennstoffmenge, die mindestens einem Drittel des Füllrauminhalts der Feuerungsanlage entspricht, auf eine für die Entzündung ausreichende Glutschichthöhe aufgegeben worden ist; die Zugstärke darf nicht gedrosselt sein. Bei mechanisch beschickten Feuerungsanlagen ist die Messung bei höchster Feuerungsleistung vorzunehmen.
Bei Anlagen mit alleiniger Automatik-Regelung ist der automatische Regler, in den übrigen Fällen der Handregler, vollständig zu öffnen. Anschliessend ist Grundglut herzustellen. Bei Unterbrandfeuerungen muss die Grundglut bis zur Unterkante des Füllschachtes reichen. Bei Durchbrandfeuerungen soll die Grundgluthöhe etwa 15 cm betragen.
Die Grundglut ist hergestellt, wenn bei der nachfolgend beschriebenen Methode keine Färbung des Filterpapierstreifens mehr auftritt.
Nach Herstellen der Grundglut sind 2,5 kg Brennstoff aufzugeben.
Als Messgerät dient ein automatisches Probenahmegerät mit Probenahmesonde. Dem Abgas sind mit dem automatischen Probenahmegerät in Abständen von einer Minute in einer Messzeit von 6 Sekunden 0,15 I ± 0,01 I Probegas aus dem Verbindungsstück zu entnehmen und durch einen Filterpapierstreifen zu leiten; hierbei entsteht durch die im Probegas enthaltenen Staub-, Russ-und Teerbestandteile eine entsprechende Folge von kreisförmigen Farbflecken von 0,312 cm². Die Farbflecke sind mittels nachfolgend beschriebener Vergleichsskala auszuwerten. Die Messung beginnt mit der Brennstoffaufgabe und endet, sobald keine Färbung des Filterpapierstreifens mehr erkennbar ist.
Es ist ein weisses Baumwollfilterpapier mit einem Reflexionsvermögen von 85% ± 2,5% zu verwenden, das einen Strömungswiderstand von 200 bis 800 mm Wassersäule bei einer Filterflächenbelastung von 3 Normalliter pro Quadratzentimeter und Minute besitzt.
Die Prüfung des Reflexionsvermögens des weissen Baumwollfilterpapieres hat mit einem ELEPHO-Gerät zu erfolgen, wobei als Vergleichsstandard Magnesiumoxid mit einem Reflexionsvermögen von 99,2% unter Einsetzung eines Blaufilters R457 zu verwenden ist.
Die Vergleichsskala besteht aus 80 Feldern verschiedener Farbe, die in einem ebenen rechtwinkligen Koordinatensystem angeordnet sind. Die Felder sind auf der Abszisse mit den Zahlen 0 bis 9 und auf der Ordinate mit den Buchstaben A bis H bezeichnet. Die Vergleichsskala ist auf Papier gedruckt.
Die Felder 0,A bis 9,A bilden die Russvergleichsskala. Das Feld 0,A hat das volle Reflexionsvermögen des Untergrundes, die Felder 1,A bis 9,A sind in der Reflexion abgestuft nach der Gleichung
Die Felder 0,A bis 0,H bilden die Teerver-. gleichsskala. Das Feld 0,A hat das volle Reflexionsvermögen des Untergrundes, die Felder B,0 bis H,0 sind in der Reflexion abgestuft nach der Gleichung
Die Bestimmung des Reflexionsgrades der Felder der Vergleichsskalen hat mit einem Densomaten mit Aufsichtsdichtemesskopf Densopak zu erfolgen. Zur Ermittlung der Reflexionsgrade der Teervergleichsskala ist zwischen Lichtquelle und Farbfeld ein Agfa-Gevaert-Repro-Blaufilter 552 zu setzen.
Die übrigen Farbfelder der Vergleichsskala entstehen dadurch, dass die Russvergleichsskala parallel zur Abszisse von B bis H die Teervergleichsskala parallel zur Ordinate von 1 bis 9 übereinander gedruckt sind. Jedes Farbfeld hat eine Fläche von 20 mm x 20 mm; das Farbfeld ist in der Mitte mit einem kreisförmigen Ausschnitt von 6 mm Durchmesser versehen.
Die Farbfelder sind so auf das Papier aufgedruckt, dass der Eindruck eines Filterpapierfarbflecks entsteht.
Jeder Farbfleck des Filterpapierstreifens ist dem Farbfeld der Vergleichsskala zuzuordnen, das seiner Färbung entspricht, und mit der Zahl des Farbfeldes zu bewerten. Die Russ-Teer-Zahl ist der arithmetische Mittelwert dieser Zahlen. Die Russ-Teer-Zahl lässt sich auch nach DIN 18890 Blatt ermitteln. Dabei werden zusätzlich zu den Schwarz-Weiss-Tönen auch Weiss-Braun-Töne erfasst.
Beim Einschalten des Saugzugventilators werden die noch in den Heizgaszügen befindlichen Schwelgase ausgetrieben. Danach nimmt die Schwärzung ab und ist schon nach wenigen Minuten bis auf Bacharach 2 abgefallen.
Aus der DE-C-575133 ist ein Heizautomat bekannt mit einer Einrichtung zur Rückführung eines Teiles der Rauchgase zwecks ihrer Beimischung zur Verbrennungsluft mit einem Saugzugventilator. Das dient dazu, die Temperatur der Verbrennungsluft zu erhöhen, um beispielsweise die Gefahr von Taupunktunterschreitungen der Rauchgase im Lufterhitzer zu verhüten, oder es soll durch die Zusätze der Rauchgase zur Verbrennungsluft die Temperatur der Heizgase vermindert werden, um einem schädlichen Einfluss derselben auf die Wandung des Feuerraumes bzw. der Wärmeübertragungsflächen vorzubeugen. Eine Verminderung der Emissionen zwischen den Einschaltzeiten des Ventilators ist damit nicht beabsichtigt.
Nach der Erfindung wird die an sich bekannte Möglichkeit zur Rückführung der Rauchgase dazu benutzt, die zwischen den Einschaltzeiten des Ventilators entstehenden Schwelgase nachzuverbrennen. Vorzugsweise geschieht das unter Absaugung der während der üblichen Stillstandszeiten entstehenden Schwelgase. Diese Schwelgase werden dann mit Verbrennungsluft vermischt und zur Nachverbrennung erneut in den Feuerungsraum eingetragen.
Zum Einblasen des Gemisches aus Schwelgas und Verbrennungsluft oder auch nur zum zusätzlichen Einblasen von Verbrennungsluft sind am Retortenausgang Düsen angeordnet. Vorzugsweise sind die Düsen in einem Düsenrohr mit zum Feuerraum versetzten Düsen zusammengefasst. Bei schmalen Feuerräumen genügt das Einblasen durch je ein Düsenrohr in den seitlichen Wassertaschen. Die Absaugung der Schwelgase und Ansaugung von Verbrennungsluft und deren Vermischung erfolgt vorteilhaft durch den Einsatz eines zweiten Saugzugventilators. Dieser Saugzuventilator bläst das Gemisch aus abgesaugtem Schwelgas und angesaugter Verbrennungsluft zur Nachverbrennung in das Düsenrohr.
Besonders günstige Absaugungsverhältnisse für das Schwelgas ergeben sich bei einer Absaugung der Schwelgase aus den Ansaugstutzen des zum Betrieb des Heizautomaten mit Retortenfeuerung üblicherweise vorhandenen Saugzugventilators. An dieser Stelle können die Schwelgase gebündelt erfasst werden.
Im Ergebnis hat ein so betriebener Heizautomat bei allen Betriebszuständen Bacharach 1 bis 2.
In der Zeichnung sind ein die Basis für die Erfindung bildender Heizautomat und ein erfindungsgemässer Heizautomat dargestellt. Es zeigen:

Figuren 1 bis 3: Verschiedene Ansichten des die Basis bildenden Heizautomaten,
Figuren 4 und 5: Den erfindungsgemässen Heizautomaten,
Figur 6: Eine schematische Darstellung der Feststoffemission.

Der Heizautomat nach Figur 1 bis 3 ist serienmässig für offene Warmwasserheizungen nach DIN 4751 Blatt 1 ausgelegt und kann in Abwandlung für geschlossene Heizsysteme sowie für Niederdruck-Dampfanlagen eingesetzt werden. Der Heizautomat unterscheidet sich von üblichen Heizkesselbauarten durch raumsparende Abmessungen, zu denen eine automatische Retortenfeuerung 1 und eine Brennstofflagerung 2 ausserhalb des Heizkessels beitragen. Die Retortenfeuerung 1 ist doppelt vorgesehen. Jeder Feuerung 1 ist ein Saugzug 2 mit Gebläse 3 zugeordnet. Desgleichen ist jede Feuerung 1 mit besonderer Beschickung 4 und Entaschung 5 versehen. Die Feuerungen 1, die Beschickung 4 und der Saugzug 2 sind in Kombination jeweils verschieden steuerbar. Dadurch entsteht eine doppelte Feuerung mit insgesamt 9 verschiedenen Schaltmöglichkeiten, die ein hohes Mass an Sicherheit gewährleisten, da in jedem Fall die halbe Nennwärmeleistung immer zur Verfügung steht.
Der Heizautomat besteht aus einem aus Stahlblech gefertigten Kesselkörper 6, der heizgas- und wasserseitig eine Einheit bildet. Auf der anderen Seite beinhaltet der Kesselkörper zwei unabhängig voneinander arbeitende Feuerungen 1 mit Beschickungseinrichtungen 4 und Entaschungseinrichtungen 5. Beiden Feuerungen sind ferner separate Heizflächen zugeordnet. Bei gemeinsamer Nachschaltheizfläche sind die Feuerungen durch eine senkrechte, nicht dargestellte Wassertasche getrennt. Die Beschickungseinrichtungen 1 sind schalt- und regeltechnisqh voneinander getrennt, so dass wahlweise ein Einzelbetrieb mit einer Feuerung möglich ist. Im übrigen ist eine gemeinsame Regelung für beide Feuerungen 1 vorgesehen und kann dadurch eine gleiche Belastung der Feuerungen erreicht werden. Im Ausführungsbeispiel haben beide den Feuerungen 1 zugeordnete Feuerräume eine Nennwärmebelatung von 500 kW. Im einzelnen arbeitet der Heizautomat wie folgt.
Aus einem Bunker 2 wird Koks bzw. Kohle auf eine U-förmige Förderrine 7 eines Schwingförderers der Beschickungseinrichtung 4 gegeben. Das geschieht über entsprechende Trichter und Schieber des Bunkers 2. Die U-förmige Förderrinne 7 besteht aus nichtrostendem und abriebfestem Stahl und befindet sich unterhalb des Bunkers 2. Sie ist mit einem elektrohydraulischen Antrieb versehen, der sie in Längsrichtung max. 100 mm hin und her bewegen kann. Aus der U-förmigen Förderrinne 7 gelangt der Koks bzw. die Kohle vor einen Beschickungsstössel 8. Der wird wahlweise gemeinsam mit der Förderrinne 7 bewegt. Die Amplitude ist entsprechend dem jeweils gewünschten Förderstrom an Koks bzw. Kohle bemessen.
Der Beschickungsstössel 8 schiebt die Kohle bzw. den Koks in den schrägliegenden Feuerungsraum der Retortenfeuerung 1. Die Steigung beträgt zwischen 20 und 25°. Der Feuerungsraum, d.h. die Retorte ist allseitig wassergekühlt. In Abhängigkeit von der benötigten Kesselleistung arbeitet die Beschickungseinrichtung 4 in kürzeren oder längeren Intervallen. Im Boden der Retorte der Retortenfeuerung 1 ist ein luftgekühlter Planrost 9 aus leicht auswechselbaren Segmenten vorgesehen. Durch Einströmen der von dem Saugzugventilator 3 angesaugten Luft findet auf dem Rost und in der Retorte eine optimale Verbrennung statt. Der am Anfang des Rostes 9 gezündete Brennstoff wandert durch Nachdrücken frischer Kohle bzw. frischen Kokses allmählich weiter. Durch unterschiedliche Betätigung der Beschikkungseinrichtung 4, der Feuerung 1 und der Saugzüge 2, 3 lässt sich die Leistung des Heizautomaten beispielsweise in folgender Weise variieren.
Mit den oben dargelegten Steuerungsmöglichkeiten des Heizautomaten lässt sich nicht nur eine Anpassung an verschiedensten Wärmebedarf, sondern auch eine Anpassung der Brennstoffmengen an den jeweiligen Verbrennungsluftmengen in jedem Lastbereich erzielen.
Am Ende der Retorte der Retortenfeuerung 1 ist der Koks bzw. die Kohle vollständig ausgebrannt. Die Schlacke (Asche) fällt selbsttätig in luftdicht angebrachte Mülltonnen der Entaschung 5. Die Mülltonnen sind im Normalfall alle zwei Tage zu wechseln.
Die durch die Retorte der Retortenfeuerung 1 strömenden Heizgase werden am Retortenende scharf umgelenkt. Dabei werden mitgerissene, grobkörnige Feststoffteilchen ausgeschieden und fallen in die Mülltonnen. In einer sich anschliessenden Beruhigungskammer 10 fallen auch die im Heizgas enthaltenen feinkörnigen Feststoffe grösstenteils aus. Auf ihrem weiteren Weg entlang Nachschaltheizflächen 11 geben die Heizgase ihre fühlbare Wärme weitgehend an das durch die Kühlräume der Nachschaltheizflächen strömende Kesselwasser ab.
Der Heizautomat erlaubt eine Minimalleistung von etwa 5% der Nennwärmeleistung und liegt damit weit unter der Minimalleistung herkömmlicher Heizautomaten. Entsprechend der geringen Minimalleistung ist vorteilhafterweise auch eine Anpassung an einen sehr geringen Wärmebedarf möglich. Für den Übergang von der Minimalleistung auf die Nennwärmeleistung beansprucht die Feuerung 1 infolge eines sehr kleinen Glutvolumens nur wenige Minuten. Das ermöglicht hohe Komfortansprüche. Durch exakt abgestimmte Verbrennungsluft und Brennstoffmengen und die Elastizität der Feuerung lässt sich ein extrem hoher Kesselwirkungsgrad von 85% bei Nennwärmeleistung erreichen. Der hohe Wirkungsgrad ermöglicht in Verbindung mit extremer Anpassung an wechselnde Belastung einen äusserst wirtschaftlichen Dauerbetrieb.
Der erfindungsgemässe Heizautomat nach Figuren 4 und 5 unterscheidet sich von dem Heizautomaten nach Figuren 1 bis 3 durch einen anders geordneten und mit 11 bezeichneten Saugzugventilator, der die Funktion des Saugzuges 2 und Gebläses 3 nach Figuren 1 bis 3 hat. Die in dem Heizautomaten entstehenden Gase werden über hintere, hohl ausgebildete Seitenwangen 20 abgezogen. Die Seitenwangen 20 sind in Figur 5 als vor der Schnittlinie A-B liegend mit Strichpunktlinien dargestellt. Die Gase treten oben bei 21 in die Seitenwangen und werden unten vom Saugzugventilator 11 abgezogen. Darüber hinaus ist im Bereich der oberen Umlenkzunge 12 der Retorte ein Düsenrohr 13 angeordnet. Das Düsenrohr 13 ist mit der Umlenkzunge 12 der Retorte verschweisst und besitzt eine Anzahl zum Feuerraum versetzt angeordneter Düsen. Das Düsenrohr 13 wird bei wassergekühlt ausgelegter Umlenkzunge 12 durch das Wasser der Umlenkzunge 12 mitgekühlt. Das gewährleistet eine angemessene Lebensdauer.
Die während der Stillstandszeit des Saugzugventilators 11 entstehenden Schwelgase werden mittels eines 2. Saugzugventilators 14 im Ansaugstutzen des Saugzugventilators 11 über eine Leitung 15 angesaugt. Zugleich wird Verbrennungsluft über einen Ansaugstutzen 16 angesaugt. Durch Einmünden der Leitung 15 und des Ansaugstutzens 16 in eine gemeinsame Zuführungsleitung 17 zum Saugzugventilator 14 entsteht eine Vermischung der angesaugten Verbrennungsluft mit dem abgesaugten Schwelgas. Dieses Gemisch wird von dem Saugzugventilator 14 in das Düsenrohr 13 gedrückt und tritt aus dessen Düsen in den Feuerungsraum ein, so dass die Schwelgase nachverbrannt werden können. Die Absaugleitung 15 und der Ansaugstutzen 16 lassen sich durch Klappen steuern, die über eine in Figur 4 schematisch dargestellte Mechanik gemeinsam betätigt werden können.
Für den erfindungsgemässen Heizautomaten nach Figuren 4 und 5 ergibt sich folgendes Schaltbild:

Nach Erreichen einer am Thermostaten eingestellten Vorlauftemperatur wird der Saugzugventilator 11 abgeschaltet. Zugleich schaltet sich der Saugzugventilator 14 ein, und ein Stellmotor öffnet die Regelklappen in der Absaugleitung 15 und im Verbrennungsluftansaugstutzen 16.

Nach Abfallen der Temperatur wird über den Thermostaten der Saugzugventilator 11 wieder eingeschaltet und werden zugleich der Saugzugventilator 14 ausgeschaltet und über den Stellmotor beide Regelklappen wieder geschlossen.
Die sich ergebenden Emissionswerte sind in Figur 6 dargestellt. Der Darstellung liegt eine Messung nach DIN 18890 Blatt 10 zugrunde. Die Darstellung enthält ebenfalls die Saugzeiten des Saugzugventilators für Primärluft und die des 2. Ventilators für Sekundärluft. Die Verbesserung der Feststoffemission wird hierdurch treffend dargestellt. Die Laufzeit des Sekundärluftventilators beginnt bei der Stillstandszeit des Primärluftventilators. Die Schaltzeiten sind leistungsabhängig und sind bei Gasflammkohle und Brechkoks 4 etwa gleich. Bei Verfeuerung von Brechkoks 4 ist der Sekundärluftventilator ausgeschaltet.

Claims

1. Verfahren zum Betrieb eines Heizautomaten mit Retortenfeuerung und Saugzugventilator für offene Warmwasserheizungen, geschlossene Heizsysteme und Niederdruckdampfanlagen, wobei der Saugzugventilator nach Erreichen einer bestimmten Vorlauftemperatur abgeschaltet wird und das Glutbett in der Retortenfeuerung über den natürlichen Schornsteinzug mit Verbrennungsluft versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abschalten des Saugzugventilators entstehende Schwelgase abgesaugt und unter Beimischung von Verbrennungsluft in den Feuerungsraum wieder eingedüst und verbrannt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Absaugung der Schwelgase im Ansaugbereich des Saugzugventilators (11) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen weiteren Saugzugventilator (14) zum Absaugen der Schwelgase und/oder Ansaugen der Verbrennungsluft für die Nachverbrennung.

4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein Düsenrohr (13) im Bereich des Retortenausganges.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Düsenrohr (13) an der oberen Umlenkzunge (12) der Retorte montiert ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine gemeinsame Wasserkühlung des Düsenrohres (13) und der Umlenkzunge (12).

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 5, gekennzeichnet durch eine Klappenregelung in der Absaugleitung (15) zum Absaugen der Schwelgase und der Ansaugleitung (16) zum Ansaugen von Verbrennungsluft.

8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein gemeinsames Regelgestänge für die Regelklappen in der Absaugleitung (15) und der Ansaugleitung (16).