EP0370504A2 - Heizanlage - Google Patents

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EP0370504A2
EP0370504A2 EP89121660A EP89121660A EP0370504A2 EP 0370504 A2 EP0370504 A2 EP 0370504A2 EP 89121660 A EP89121660 A EP 89121660A EP 89121660 A EP89121660 A EP 89121660A EP 0370504 A2 EP0370504 A2 EP 0370504A2
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EP
European Patent Office
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heating system
tube
combustion chamber
downstream
pipe
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP89121660A
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English (en)
French (fr)
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EP0370504A3 (de
Inventor
Rudi Pedersen
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Original Assignee
Individual
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Publication date
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Publication of EP0370504A2 publication Critical patent/EP0370504A2/de
Publication of EP0370504A3 publication Critical patent/EP0370504A3/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C15/00—Apparatus in which combustion takes place in pulses influenced by acoustic resonance in a gas mass
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23J—REMOVAL OR TREATMENT OF COMBUSTION PRODUCTS OR COMBUSTION RESIDUES; FLUES 
    • F23J15/00—Arrangements of devices for treating smoke or fumes
    • F23J15/02—Arrangements of devices for treating smoke or fumes of purifiers, e.g. for removing noxious material
    • F23J15/04—Arrangements of devices for treating smoke or fumes of purifiers, e.g. for removing noxious material using washing fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M20/00—Details of combustion chambers, not otherwise provided for, e.g. means for storing heat from flames
    • F23M20/005—Noise absorbing means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/10—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium
    • F24H1/107—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium using fluid fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/22—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating
    • F24H1/24—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water mantle surrounding the combustion chamber or chambers
    • F24H1/26—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water mantle surrounding the combustion chamber or chambers the water mantle forming an integral body
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H2230/00—Solid fuel fired boiler

Definitions

  • the invention relates to a heating system for burning fuel, such as coal dust, coal, gas or oil.
  • the invention relates to a heating system in which the so-called pulsation method is used.
  • This technique has been known for a long time. Among other things, it goes back to the so-called Schmidt pipe and has the advantage of total (stoichiometric) combustion with a high energy yield.
  • pulsation combustion in an elongated Schmidt tube is suitable for the combustion of coal dust (F.H. Reynst, "Pulsating Combustion", Pergamon Press, New York, 1961).
  • a problem with heating systems with pulsating combustion is the strong noise.
  • it is also known in the prior art to carry out the pulsating combustion in a so-called quarter-wave tube see e.g. "Combustion Technology: Some modern developments", ed. H.B. Palmer and J.M. Beer, Academic Press, 1974, p. 138.
  • a pressure pulse emanating from the combustion chamber reflects at a closed end of the tube in such a way that the reflected wave overlaps with the incoming wave and thereby a sound -Weakening causes.
  • the invention has for its object to develop a pulsation heating system of the type described in such a way that the noise and pollutant emissions are greatly reduced with high combustion efficiency.
  • the heating system according to the invention should be compact and easy to control and easily adaptable to different operating parameters.
  • this object is achieved by a pipe between the ends of which a pressure gradient is generated and in which a combustion chamber is arranged such that its distance from the upstream pipe end is at least approximately equal to half its distance from the downstream pipe end, which opens into a hollow pot whose diameter is larger than that of the pipe.
  • the combustion chamber is arranged in the tube in such a way that a so-called quarter-wavelength system is created.
  • the position of the combustion chamber in the tube is adjustable.
  • the hollow pot according to the invention downstream of the pulsation tube, into which the downstream tube end opens serves as a so-called "decoupler", i.e. the hollow pot has a sound-absorbing effect.
  • the hollow pot has a diameter which corresponds approximately to two to three times the diameter of the pulsation tube, while the length of the hollow pot corresponds to approximately one third to one fifth, preferably one quarter, of the total length of the pulsation tube.
  • a first heat exchanger is connected downstream of the hollow pot, which serves to dampen noise, in the flow path of the combustion gases. From this first heat exchanger, the combustion gases enter at least one cyclone known as such in order to remove dust and soot particles and the like from the combustion gases.
  • the cyclone (or several cyclones) is followed by a fan, which transfers the combustion gases into a bubbling device, which serves as a second heat exchanger.
  • the sparkling device preferably corresponds to DE-PS 30 49 805.
  • the pulsation tube is curved approximately U-shaped downstream of the combustion chamber. This creates a compact design. Together with the hollow pot arranged at the end of the tube and the first heat exchanger, the pulsation tube forms approximately the shape of an inverted U. The two ends of the legs of the U are open mounted in a hollow body that performs several functions. The cyclone is arranged in the hollow body downstream of the flow path. Upstream of the pulsation tube, the hollow body forms a cavity into which the pulsation tube opens. This cavity also has a noise-dampening effect.
  • a grate serves to limit the combustion chamber, the position of the grate in the tube being adjustable in accordance with the operating parameters of the combustion.
  • an excess pressure of oxygen-containing gas is generated in the combustion chamber by means of a fan.
  • the overpressure generated is in the range from 1 to 20 atm, preferably around 8 atm.
  • the pulsation method according to the invention in a quarter-wavelength tube enables stoichiometric combustion at low temperatures. This reduces the formation of pollutants, especially nitrogen oxides. For a further reduction in pollutants, the coal or coal dust calcium can be added. This binds additional nitrogen and sulfur oxides.
  • a so-called fluid bed is provided instead of a grate for local fixing of the combustion chamber.
  • inlet nozzles for a fluid such as air, are provided at the location of the pipe where the combustion chamber is to be located, which introduce the fluid under such high pressure that the parts to be burned, such as coal and coal dust, float approximately stationary.
  • an oxygen sensor is arranged above the grate and the fan is controlled in accordance with the oxygen concentration indicated by the sensor.
  • Fig. 1 shows a pulsation heating system in vertical section.
  • a test system is approximately 3 m high. This also gives the dimensions of the other parts.
  • a tube 10 serves as a pulsation tube, i.e. A pulsating combustion takes place in the tube 10.
  • the fuel is introduced into the pipe 10 via an inlet 12.
  • solid fuel is burned.
  • the plant can also be converted to other fuels such as oil and gas.
  • the inlet 12 is opened or closed by means of a vertically adjustable flap 13.
  • the flap 13 is vertically displaceable by means of a spindle motor 15.
  • a blower 14 is arranged between the flap 13 and a further flap 17 and thus generates a pressure lock so that a high overpressure can be maintained in the tube 10 on the left of the flap 13.
  • a combustion chamber 16 is defined in the tube 10 by a grate 18.
  • the grate 18 is shown in more detail in FIG. 3.
  • coal dust is to be burned, a coal dust nozzle with a suitable carrier gas is provided at location 18c.
  • the combustion chamber 16 is not defined by a grate, but by a gas nozzle 18a or an oil nozzle 18b, the position of which is also indicated in FIG. 1.
  • a gas nozzle 18a or an oil nozzle 18b the position of which is also indicated in FIG. 1.
  • Several nozzles can also be provided.
  • An exemplary embodiment with a grate is described below, which relates to the combustion of coal.
  • 1 is adjustable in height by means of a rod 20 and a height adjustment device 22, so that the position of the grate 18 or the combustion chamber 16 in the tube 10 can be adjusted depending on the operating conditions of the combustion.
  • nozzle 18a If oil or gas is to be burned instead of coal (gas nozzle 18a, oil nozzle 18b), appropriate nozzles can be arranged in the wall of the pipe at different heights, so that the gas or oil flow can be introduced into the pipe at different heights can. Nozzles that are not being operated (not shown) are closed.
  • the tube 10 has a curved section 24.
  • the curved section 24 makes up about a third to a quarter of the total length of the tube 10.
  • a safety valve 26 is arranged in the zenith of the curved section 24 of the tube 10.
  • An oxygen sensor 25 is arranged above the combustion chamber 16, with which the gas supply for the combustion in the combustion chamber 16 is controlled so that a complete stoichiometric combustion takes place.
  • the gas supply is described below.
  • the position of the grate 18 or the combustion chamber 16 located directly above it, that is to say the space in which the flame pulsates, with respect to the upstream pipe end 28 or the downstream pipe end 30 of the pulsation pipe 10 can be set such that the distance of the grate 18 from the upstream pipe end 28 is between 0.4 to 0.6 times the distance of the grate from the downstream pipe end 30. This is indicated by the dashed lines in Fig. 1.
  • the upstream pipe end 28 is optionally provided with a so-called “flapper” valve (butterfly valve) or open.
  • the tube 10 of a test embodiment has an inner diameter of approximately 140 mm.
  • the radius of curvature of the center line M of the tube in the curved section 24 is approximately 350 mm.
  • the downstream tube end 30 of the pulsation tube 10 opens into a hollow pot 32, the diameter of which is approximately 500 mm.
  • a so-called flapper valve is provided at the downstream pipe end 30, that is to say a one-way valve which opens in the direction of flow and flows vice versa.
  • the combustion gases flow through hollow pot 32 in FIG. 1 from top to bottom, covering a distance of approximately 450 mm.
  • the hollow pot 32 is funnel-shaped in its bottom section and opens into a first heat exchanger 34, in which the energy contained in the combustion gases is released to circulating water.
  • the entire tube 10, the walls of the hollow pot 32 and the heat exchanger 34 are not one of the Darge flowed through the cooling water circuit.
  • the tube 10 and the hollow pot 32 are thus hollow-walled.
  • the connecting lines for the water circuit (or the water circuits) are provided with the reference numeral 36. Combustion heat is obtained via the cooling water circuit.
  • the tube 10 together with the hollow pot 32 and the first heat exchanger 34 forms the overall shape of an upside down U, the hollow pot 32 representing a thickening.
  • This U-shaped unit stands on a hollow body 38 which is essentially box-shaped.
  • the upstream end 28 of the tube 10 opens into a cavity 39 which also has a sound-absorbing effect.
  • a blower 40 is arranged in the cavity 39, which draws in air from the outside and presses it into the pipe end 28 at high pressure.
  • the blower generates an overpressure with respect to the outer atmosphere at the pipe end 28 between 0.5 and 40 atm, preferably 5 to 12 atm, in particular 8 atm.
  • the overpressure depends on the operating parameters and the fuel.
  • a so-called flapper valve is arranged at the entrance of the upstream pipe end 28, i.e. a butterfly valve that opens towards the inside of the pipe and flows in the opposite direction.
  • the cavity 39 is separated from the rest of the hollow body 38 by means of a partition 42. Slag falling on an inclined wall 41 slides into a slag slide 44.
  • the first heat exchanger 34 opens into a channel 45 that leads to two cyclones 46.
  • the combustion gas is rotated in a known manner so that particles, dust and soot or the like are separated off by means of centrifugal forces. The particles fall out of the cyclone onto a particle catcher 48.
  • the combustion gases are fed by means of a blower 50 to an outlet line 52, which transfers the combustion gases, which have not yet cooled completely in the heat exchanger 34, to a further heat exchanger, which essentially corresponds to DE-PS 30 49 805 and is shown in FIG. 2.
  • the second heat exchanger is a bubble device 60.
  • the combustion gases enter a tube 64 which is arranged in a water bath 66.
  • the hot combustion gases flow through vertical pipes 68 into a dome 70, which is shown in an exploded view in FIG. 2.
  • the dome 70 is lowered into the water bath 66 such that the side walls 72 of the dome are immersed in the water.
  • the side walls 72 of the dome 70 there are slits 74 which increase in cross section and through which the combustion gases bubble through the water.
  • the arrangement of the slots 74 dampens possible pulsation phenomena in the combustion gas.
  • a further heat exchanger 78 is provided in the dome 70 in a manner known per se.
  • the almost completely cooled combustion gases contain relatively few pollutants and require a relatively short chimney.
  • the grate 18 shows details of a grate 18 for the combustion of, in particular, solid coal.
  • the grate 18 consists of an approximately circular plate which has concentric, approximately quarter-circular recesses 80. Four projections 82 project radially and center the grating 18 at a distance with respect to the inner wall of the tube 10.
  • FIG. 4 schematically shows an arrangement which can be connected downstream of the device according to FIG. 1.
  • the device according to 4 is arranged in a housing 100 and serves to further purify the combustion gases and at the same time to produce a useful substance with them, namely ammonium sulfate nitrate.
  • the housing 100 according to FIG. 4 has an inlet 102 into which the combustion gases flow.
  • the input 102 can in particular be connected directly to the output line 52 according to FIG. 1.
  • the spraying water cleans the gases that pass through space 104 in the direction of arrow 114.
  • a wall 112 separates the space 104 from the rest of the device in the housing 100.
  • Water 108 is collected at the bottom of the room 104 and extends to the inlet of an overflow pipe 110.
  • the gases cleaned by spraying water enter a bubble device 60 'which corresponds to the bubble device 60 described above (DE-PS 30 49 805).
  • the gas enters the water 116 through the slots 74, the level of which is determined by an overflow pipe 124.
  • ammonia solution enters the tube 128, which is sprayed through the fine holes into the space 121 and thus comes into contact with the cleaned and cooled combustion gases.
  • combustion gases and reaction products enter a subsequent space 132, over the floor of which there is also water 134.
  • a pipe 138 protrudes into the space 132, which also has finely divided openings and into which an oxidant, in particular ozone, and ammonia enters at 136, which is sprayed in the space 132.
  • gases and reaction products continue to flow in the direction of arrows 142 around barriers 140, 140 ', 140 ⁇ , 140 ′′′ of a final condenser to an outlet 144 of housing 100, which leads to a chimney.
  • the level of the water 134 is defined by an overflow pipe 146.
  • the nitrogen oxides NO x contained in the combustion gas react with the ammonia to form ammonium nitrite.
  • Ammonium nitrite reacts with ozone to form ammonium nitrate.
  • ammonium sulfate and the ammonium nitrate described above form ammonium sulfate nitrate, which can be obtained from the device and can be used for fertilizing purposes.

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Abstract

Eine Heizanlage zum Verbrennen von Brennstoff, wie insbesondere Kohlenstaub, Kohle, Gas oder Öl, weist einen Brennraum 16 auf, in den der Brennstoff und ein sauerstoffhaltiges Gas eingegeben werden. Die Heizanlage arbeitet als sogenannter Pulsationsbren­ner in einem Rohr 10. Der Abstand eines Verbrennungsraumes 16 bzw. eines den Verbrennungsraum definierenden Rostes 18 vom stromauf der Flamme gelegenen Rohrende 28 ist etwa gleich der Hälfte des Abstandes vom stromab gelegenen Rohrende 30. Das stromab gelegene Rohrende 30 mündet in einen schalldämpfenden Hohltopf 32.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Heizanlage zum Verbrennen von Brennstoff, wie Kohlestaub, Kohle, Gas oder Öl.
  • Insbesondere betrifft die Erfindung eine Heizanlage, bei der das sogenannte Pulsationsverfahren angewandt wird. Diese Tech­nik ist seit langem bekannt. Sie geht unter anderem zurück auf das sogenannte Schmidt-Rohr und hat den Vorteil einer totalen (stöchiometrischen) Verbrennung mit hoher Energieausbeute. Ins­besondere ist die Pulsationsverbrennung in einem langgestreck­ten Schmidt-Rohr geeignet für die Verbrennung von Kohlestaub (F.H. Reynst, "Pulsating Combustion", Pergamon Press, New York, 1961).
  • Insbesondere bei der Verbrennung von Kohlestaub, aber auch von fester Kohle, entsteht um die brennenden Teilchen herum eine Hülle von Verbrennungsprodukten, durch welche der Sauerstoff dringen muß, um zur Oberfläche der brennenden Teilchen zu ge­langen. Die Verbrennungsgeschwindigkeit der Teilchen wird des­halb durch die Diffusionsrate bestimmt, mit welche der Sauer­stoff zu der Oberfläche der brennenden Teilchen gelangt.
  • Eine Möglichkeit, der Oberfläche der brennenden Teilchen schnell Sauerstoff zuzuführen, bietet die sogenannte pulsieren­de Verbrennung. Dieses Phänomen ist seit langem bekannt (siehe z.B. Zeitschrift "Journal of the Institute of Fuel", November 1968, S. 423-426; Zeitschrift "Thermal Engineering", 16, 1961, S. 9-13, Aufsatz von V.S. Severyanin; und Zeitschrift "Öl & Gasfeuerung", 3, 1979, S. 166-178).
  • Ein Problem bei Heizanlagen mit pulsierender Verbrennung be­steht in der starken Geräuschentwicklung. Zur Minderung der Ge­räuschentwicklung ist es im Stand der Technik auch schon be­kannt, die pulsierende Verbrennung in einem sogenannten Viertel-­Wellenlängen-Rohr (Quarter-Wave Tube) durchzuführen, siehe z.B. "Combustion Technology: Some modern developments", Hrsg. H.B. Palmer und J.M. Beer, Academic Press, 1974, S. 138. Bei einer pulsierenden Verbrennung in einem Viertel-Wellenlängen-Rohr re­flektiert ein vom Brennraum ausgehender Druckpuls an einem ge­schlossenen Ende des Rohres derart, daß sich die reflektierte Welle mit der einlaufenden Welle überlagert und dabei eine Schall-Abschwächung bewirkt.
  • Wenn sich die Technik der Pulsationsverbrennung trotz der be­kannten Vorteile, wie hohem Wirkungsgrad und geringer Umweltbe­lastung, nicht bei Heiz-Großanlagen durchgesetzt hat, so liegt das unter anderem auch an der großen Geräuschentwicklung und den erforderlichen hohen Schornsteinen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Pulsations-Heiz­anlage der eingangs beschriebenen Art derart weiterzubilden, daß bei hohem Wirkungsgrad der Verbrennung die Geräuschentwick­lung und der Schadstoff-Ausstoß stark reduziert sind. Die er­findungsgemäße Heizanlage soll kompakt leicht steuerbar und an unterschiedliche Betriebsparameter einfach anpaßbar sein.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Rohr, zwi­schen dessen Enden ein Druckgradient erzeugt wird und in dem ein Brennraum derart angeordnet ist, daß sein Abstand vom stromauf gelegenen Rohrende zumindest annähernd gleich der Hälfte seines Abstandes vom stromab gelegenen Rohrende ist, welches in einen Hohltopf mündet, dessen Durchmesser größer ist als der des Rohres.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Heizanlage ist der Brennraum im Rohr derart angeordnet, daß ein sogenanntes Viertel-Wellenlängen-System entsteht.
  • Zur optimalen Abstimmung der Heizanlage in Abhängigkeit von un­terschiedlichen Betriebsbedingungen ist in einer weiteren be­vorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß die Posi­tion des Brennraumes im Rohr einstellbar ist.
  • Der erfindungsgemäß stromab des Pulsationsrohres gelegene Hohl­topf, in den das stromab gelegene Rohrende mündet, dient als sogenannter "Dekoppler", d.h. der Hohltopf hat eine schall­dämpfende Wirkung. Hierzu hat der Hohltopf einen Durchmesser, der etwa dem zwei- bis dreifachen des Durchmessers des Pulsa­tionsrohres entspricht, während die Länge des Hohltopfes etwa einem Drittel bis einem Fünftel, bevorzugt einem Viertel, der Gesamtlänge des Pulsationsrohres entspricht.
  • Dem der Geräuschdämpfung dienenden Hohltopf ist im Strömungsweg der Verbrennungsgase ein erster Wärmetauscher nachgeschaltet. Aus diesem ersten Wärmetauscher treten die Verbrennungsgase in zumindest ein als solches bekanntes Zyklon, um Staub- und Ruß­teilchen und dergleichen aus den Verbrennungsgasen zu entfer­nen.
  • Dem Zyklon (bzw. mehreren Zyklons) ist ein Gebläse nachgeschal­tet, welches die Verbrennungsgase in eine Sprudeleinrichtung überführt, welche als zweiter Wärmetauscher dient. Die Sprudel­einrichtung entspricht bevorzugt der DE-PS 30 49 805.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Heiz­anlage ist das Pulsationsrohr stromab des Brennraumes etwa U-förmig gekrümmt. Hierdurch entsteht eine kompakte Bauweise. Zusammen mit dem am Rohrende angeordneten Hohltopf und dem er­sten Wärmetauscher bildet das Pulsationsrohr etwa die Form ei­nes umgekehrten U. Die beiden Enden der Schenkel des U sind auf einem Hohlkörper montiert, der mehrere Funktionen übernimmt. Stromab des Strömungsweges ist im Hohlkörper das Zyklon ange­ordnet. Stromauf des Pulsationsrohres bildet der Hohlkörper ei­nen Hohlraum, in den das Pulsationsrohr mündet. Dieser Hohlraum hat ebenfalls eine geräuschdämpfende Wirkung.
  • Soll mit der erfindungsgemäßen Heizanlage feste Kohle verbrannt werden, so dient ein Rost zur Eingrenzung des Brennraumes, wo­bei die Stellung des Rostes im Rohr entsprechend den Betriebs­parametern der Verbrennung einstellbar ist.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird im Brenn­raum ein Überdruck an sauerstoffhaltigem Gas mittels eines Ge­bläses erzeugt. Der erzeugte Überdruck liegt im Bereich von 1 bis 20 atü, bevorzugt bei etwa 8 atü.
  • Das erfindungsgemäße Pulsationsverfahren in einem Viertel-Wel­lenlängen-Rohr ermöglicht eine stöchiometrische Verbrennung bei niedrigen Temperaturen. Hierdurch wird die Bildung von Schad­stoffen, insbesondere Stickoxiden, reduziert. Für eine weitere Reduzierung der Schadstoffe, kann der Kohle- bzw. dem Kohle­staub Kalzium beigemischt werden. Hierdurch werden weitere Stick- und Schwefeloxide gebunden.
  • In einer Variante der erfindungsgemäßen Heizanlage ist zur ört­lichen Festlegung des Brennraumes statt eines Rostes ein soge­nanntes Fluid-Bett vorgesehen. Hierzu sind an der Stelle des Rohres, an welcher der Brennraum liegen soll, Einlaßdüsen für ein Fluid, wie Luft, vorgesehen, die das Fluid unter so hohem Druck einführen, daß die zu verbrennenden Teile, wie Kohle und Kohlestaub, etwa stationär schweben.
  • Es versteht sich, daß bei Verbrennung von Gas oder Öl kein Rost benötigt wird, sondern der Brennstoff an der gewünschten Stelle des Brennraumes mit Düsen eingeleitet wird.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Heizan­lage ist oberhalb des Rostes ein Sauerstoffsensor angeordnet und entsprechend der vom Sensor angezeigten Sauerstoffkonzen­tration wird das Gebläse gesteuert.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung. Es zeigt:
    • Fig. 1 schematisch einen Vertikalschnitt durch eine erfin­dungsgemäße Pulsations-Heizanlage,
    • Fig. 2 Einzelheiten einer als Wärmetauscher dienenden Spru­deleinrichtung,
    • Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Rost, und
    • Fig. 4 eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Pulsations­heizanlage zur Entfernung von Schadstoffen.
  • Fig. 1 zeigt eine Pulsations-Heizanlage im Vertikalschnitt. Eine Test-Anlage ist insgesamt ca. 3 m hoch. Hieraus ergeben sich auch die Abmessungen der übrigen Teile.
  • Ein Rohr 10 dient als Pulsationsrohr, d.h. in dem Rohr 10 fin­det eine pulsierende Verbrennung statt. Der Brennstoff wird über einen Einlauf 12 in das Rohr 10 eingeführt. Beim darge­stellten Ausführungsbeispiel wird fester Brennstoff verbrannt. Die Anlage kann aber auch auf andere Brennstoffe, wie Öl und Gas, umgestellt werden.
  • Der Einlauf 12 wird mittels einer vertikal verstellbaren Klappe 13 geöffnet bzw. geschlossen. Die Klappe 13 ist mittels eines Spindelmotors 15 vertikal verschiebbar.
  • Ein Gebläse 14 ist zwischen der Klappe 13 und einer weiteren Klappe 17 angeordnet und erzeugt so eine Druckschleuse, so daß der links der Klappe 13 im Rohr 10 ein hoher Überdruck aufrecht erhalten werden kann.
  • Im Rohr 10 wird ein Brennraum 16 durch ein Rost 18 definiert. Der Rost 18 ist in Fig. 3 näher dargestellt.
  • Falls Kohlenstaub verbrannt werden soll, ist am Ort 18c eine Kohlenstaubdüse mit einem geeigneten Trägergas vorgesehen.
  • Wenn statt eines festen Brennstoffes Öl oder Gas verbrannt wird, wird der Brennraum 16 nicht durch einen Rost definiert, sondern durch eine Gasdüse 18a bzw. eine Öldüse 18b, deren Po­sition in Fig. 1 ebenfalls angegeben ist. Es können auch mehre­re Düsen vorgesehen sein. Nachfolgend wird ein Ausführungsbei­spiel mit einem Rost beschrieben, welches sich auf die Verbren­nung von Kohle bezieht.
  • Der Rost 18 ist gemäß Fig. 1 mittels einer Stange 20 und einer Höhen-Verstelleinrichtung 22 in seiner Höhe verstellbar, so daß die Stellung des Rostes 18 bzw. des Brennraumes 16 im Rohr 10 in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Verbrennung einstellbar ist.
  • Falls statt der Kohle Öl oder Gas verbrannt werden soll (Gas­düse 18a, Öldüse 18b), so können in der Wandung des Rohres ent­sprechende Düsen in unterschiedlichen Höhen angeordnet werden, so daß der Gas- bzw. Ölstrom in unterschiedlichen Höhen wahl­weise in das Rohr eingeleitet werden kann. Gerade nicht betrie­bene Düsen (nicht gezeigt) werden geschlossen.
  • Das Rohr 10 weist einen gekrümmten Abschnitt 24 auf. Der ge­krümmte Abschnitt 24 macht etwa ein Drittel bis ein Viertel der Gesamtlänge des Rohres 10 aus. Im Zenit des gekrümmten Ab­schnittes 24 des Rohres 10 ist ein Sicherheitsventil 26 an­geordnet.
  • Oberhalb des Brennraumes 16 ist ein Sauerstoffsensor 25 ange­ordnet, mit dem die Gaszufuhr für die Verbrennung im Brennraum 16 gesteuert wird, damit eine vollständige stöchiometrische Verbrennung stattfindet. Die Gaszufuhr wird weiter unten be­schrieben.
  • Die Stellung des Rostes 18 bzw. des unmittelbar über diesem ge­legenen Brennraumes 16, also des Raumes, in dem die Flamme pul­siert, in bezug auf das stromauf gelegene Rohrende 28 bzw. das stromab gelegene Rohrende 30 des Pulsationsrohres 10 ist derart einstellbar, daß der Abstand des Rostes 18 vom stromauf gelege­nen Rohrende 28 zwischen dem 0,4- bis 0,6-fachen des Abstandes des Rostes vom stromab gelegenen Rohrende 30 beträgt. Dies ist durch die gestrichelten Linien in Fig. 1 angedeutet.
  • Das stromauf gelegene Rohrende 28 ist wahlweise mit einem so­genannten "Flapper"-Ventil (Schmetterlingsventil) versehen oder offen.
  • Das Rohr 10 eines Test-Ausführungsbeispiels hat einen Innendurch­messer von ca. 140 mm. Der Krümmungsradius der Mittellinie M des Rohres im gekrümmten Abschnitt 24 beträgt etwa 350 mm.
  • Das stromab gelegene Rohrende 30 des Pulsationsrohres 10 mündet in einen Hohltopf 32, dessen Durchmesser ca. 500 mm beträgt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist am stromab gelegenen Rohrende 30 ein sogenanntes Flapper-Ventil vorgesehen, also ein Einwegventil, welches in Strömungsrichtung öffnet und umgekehrt fließt. Die Verbrennungsgase durchströmen den Hohltopf 32 in Fig. 1 von oben nach unten und legen dabei einen Weg von ca. 450 mm zurück. Der Hohltopf 32 ist in seinem Bodenabschnitt trichterförmig ausgestaltet und mündet in einen ersten Wärmetauscher 34, in dem die in den Verbrennungsgasen steckende Energie an zirkulierendes Wasser abgegeben wird.
  • Das gesamte Rohr 10, die Wandungen des Hohltopfes 32 und der Wärmetauscher 34 werden von einen im einzelnen nicht darge­ stellten Kühlwasserkreislauf durchströmt. Das Rohr 10 und der Hohltopf 32 sind also hohlwandig ausgebildet. In Fig. 1 sind die Anschlußleitungen für den Wasserkreislauf (bzw. die Wasser­kreisläufe) mit dem Bezugszeichen 36 versehen. Über den Kühl­wasserkreislauf wird Verbrennungswärme gewonnen.
  • Wie in Fig. 1 dargestellt ist, bildet das Rohr 10 zusammen mit dem Hohltopf 32 und dem ersten Wärmetauscher 34 insgesamt die Form eines auf dem Kopf stehenden U, wobei der Hohltopf 32 eine Verdickung darstellt. Diese U-förmige Einheit steht auf einem Hohlkörper 38, der im wesentlichen kastenförmig ist.
  • Das stromauf gelegene Ende 28 des Rohres 10 mündet in einen Hohlraum 39, der ebenfalls schalldämpfend wirkt.
  • In dem Hohlraum 39 ist ein Gebläse 40 angeordnet, welches Luft von außen ansaugt und mit hohem Druck in das Rohrende 28 drückt. Das Gebläse erzeugt einen Überdruck gegenüber der äus­seren Atmosphäre am Rohrende 28 zwischen 0,5 und 40 atü, vor­zugsweise 5 bis 12 atü, insbesondere 8 atü. Der Überdruck hängt von den Betriebsparametern und vom Brennstoff ab. Am Eingang des stromauf gelegenen Rohrendes 28 ist ein sogenanntes Flap­per-Ventil angeordnet, d.h. ein Schmetterlingsventil, das in Richtung auf das Rohrinnere öffnet und in umgekehrter Richtung fließt.
  • Der Hohlraum 39 ist mittels einer Trennwand 42 vom übrigen Hohlkörper 38 abgetrennt. Auf eine Schrägwand 41 fallende Schlacke rutscht in eine Schlacken-Rutsche 44.
  • Auf der anderen Seite der Trennwand 42 mündet der erste Wärme­tauscher 34 in einen Kanal 45, der zu zwei Zyklons 46 führt. In den Zyklons 46 wird das Verbrennungsgas in bekannter Weise in eine Drehbewegung versetzt, so daß mittels Zentrifugalkräften Partikel, Staub und Ruß oder dergleichen abgetrennt wird. Die Partikel fallen unten aus dem Zyklon heraus auf einen Partikel­fänger 48.
  • Die Verbrennungsgase werden mittels eines Gebläses 50 zu einer Ausgangsleitung 52 geführt, welche die im Wärmetauscher 34 noch nicht vollständig abgekühlten Verbrennungsgase zu einem weite­ren Wärmetauscher überführt, der im wesentlichen der DE-PS 30 49 805 entspricht und in Fig. 2 dargestellt ist.
  • Der zweite Wärmetauscher ist gemäß Fig. 2 eine Sprudeleinrich­tung 60. Bei 62 treten die Verbrennungsgase in ein Rohr 64, das in einem Wasserbad 66 angeordnet ist. Durch Vertikal-Rohre 68 strömen die heißen Verbrennungsgase in eine Kuppel 70, die in Fig. 2 in Explosionsdarstellung gezeigt ist. Im Betriebszustand ist die Kuppel 70 in das Wasserbad 66 derart abgesenkt, daß die Seitenwände 72 der Kuppel in das Wasser eintauchen. In den Sei­tenwänden 72 der Kuppel 70 sind nach unten im Querschnitt grös­ser werdende Schlitze 74 vorgesehen, durch welche die Verbren­nungsgase das Wasser durchsprudeln. Wie in der DE 30 49 805 ausgeführt ist, bewirkt die Anordnung der Schlitze 74 eine Dämpfung möglicher Pulsationserscheinungen im Verbrennungsgas.
  • Die Verbrennungsgase treten bei 76 aus der Sprudeleinrichtung 60 aus. In der Kuppel 70 ist noch ein weiterer Wärmetauscher 78 in an sich bekannter Weise vorgesehen.
  • Die nun fast vollständig abgekühlten Verbrennungsgase enthalten relativ wenig Schadstoffe und benötigen einen relativ kurzen Schornstein.
  • Fig. 3 zeigt Einzelheiten eines Rostes 18 zur Verbrennung von insbesondere fester Kohle. Der Rost 18 besteht aus einer etwa kreisförmigen Platte, die konzentrische, jeweils etwa viertel­kreisförmige Ausnehmungen 80 aufweist. Vier Vorsprünge 82 ste­hen radial vor und zentrieren den Rost 18 unter Abstand in be­zug auf die Innenwand des Rohres 10.
  • Fig. 4 zeigt schematisch eine Anordnung, die der Vorrichtung gemäß Fig. 1 nachgeschaltet werden kann. Die Vorrichtung gemäß Fig. 4 ist in einem Gehäuse 100 angeordnet und dient dazu, die Verbrennungsgase weiter zu reinigen und zugleich mit ihnen einen Nutzstoff herzustellen, nämlich Amnoniumsulfatsalpeter.
  • Das Gehäuse 100 gemäß Fig. 4 weist einen Eingang 102 auf, in den die Verbrennungsgase einströmen. Der Eingang 102 kann ins­besondere direkt an die Ausgangsleitung 52 gemäß Fig. 1 ange­schlossen werden.
  • Durch den Einlaß 102 strömen die Gase in einen Raum 104, in den ein Rohr 106 ragt, das mit Löchern 109 versehen ist. Wasser tritt bei 107 in das Rohr 106 und wird in den Raum 104 ge­sprüht. Das sprühende Wasser reinigt die Gase, die den Raum 104 in Richtung des Pfeiles 114 passieren. Eine Wand 112 trennt den Raum 104 vom Rest der Vorrichtung im Gehäuse 100 ab. Am Boden des Raumes 104 ist Wasser 108 gesammelt, das bis zum Eingang eines Überlaufrohres 110 reicht.
  • In Richtung des Pfeiles 114 treten die so durch sprühende Was­ser gereinigten Gase in eine Sprudeleinrichtung 60′, die der oben beschriebenen Sprudeleinrichtung 60 entspricht (DE-PS 30 49 805). Durch die Schlitze 74 tritt das Gas in das Wasser 116 ein, dessen Pegel durch ein Überlaufrohr 124 bestimmt ist.
  • Bei 118 tritt Wasser in eine Kühlschlange 120 und bei 122 tritt das in der Sprudeleinrichtung 60′ erhitzte Wasser aus der Kühl-­Schlange aus.
  • Während im Raum 104 das einströmende Gas noch einen relativ ho­hen Druck von etwa 0,5 bis 8 bar aufweist, ist es im Raum 121 weitestgehend entspannt.
  • In den Raum 121 ragt ein Rohr 128, das mit feinen Löchern ver­sehen ist. Bei 126 tritt Ammoniaklösung in das Rohr 128 ein, welche durch die feinen Löcher in den Raum 121 gesprüht wird und so mit den gereinigten und abgekühlten Verbrennungsgasen in Kontakt kommt.
  • Bei 131 treten die Verbrennungsgase sowie Reaktionsprodukte (siehe weiter unten) in einen nachfolgenden Raum 132, über des­sen Boden ebenfalls Wasser 134 steht.
  • In den Raum 132 ragt ein Rohr 138, das ebenfalls fein verteilte Öffnungen aufweist und in welches bei 136 ein Oxidationsmittel, insbesondere Ozon, sowie Ammoniak eintritt, welches im Raum 132 versprüht wird.
  • Die Gase und Reaktionsprodukte (siehe weiter unten) strömen weiter in Richtung der Pfeile 142 um Barrieren 140, 140′, 140˝, 140‴ eines Endkondensors zu einem Ausgang 144 des Gehäuses 100, der zu einem Schornstein führt.
  • Der Pegel des Wassers 134 wird durch ein Überlaufrohr 146 defi­niert.
  • Die mit der beschriebenen Vorrichtung gemäß Fig. 4 erzielten chemischen Reaktionen sind wie folgt. Durch das Rohr 128 wird Ammoniak-Lösung mit den Verbrennungsgasen in Kontakt gebracht. In Anwesenheit von Wasser reagiert Ammoniak mit Schwefeldioxid (Bestandteil des Verbrennungsgases) zu Ammoniumsulfit (NH₄)₂SO₃. Das mittels des Rohres 138 eingeführte Ozon (oder ein anderes Oxidationsmittel) reagiert mit dem Ammoniumsulfit zu Ammonium­sulfat (NH₄)₂SO₄.
  • Andererseits reagieren die im Verbrennungsgas enthaltenen Stickoxide NOx mit dem Ammoniak zu Ammoniumnitrit. Ammoniumni­trit reagiert mit Ozon zu Ammoniumnitrat.
  • Das oben beschriebene Ammoniumsulfat und das Ammoniumnitrat bilden Ammoniumsulfatsalpeter, welches aus der Vorrichtung ge­wonnen werden kann und für Düngezwecke genutzt werden kann.

Claims (16)

1. Heizanlage zum Verbrennen von Brennstoff, wie Kohlestaub, Kohle, Gas oder Ö1,
gekennzeichnet durch
ein Rohr (10), zwischen dessen Enden (28, 30) ein Druckgradient erzeugt wird und in dem ein Brennraum (16) derart angeordnet ist, daß sein Abstand vom stromauf gelegenen Rohrende (28) zu­mindest annähernd gleich der Hälfte seines Abstandes vom strom­ab gelegenen Rohrende (30) ist, welches in einen Hohltopf (32) mündet, dessen Durchmesser größer ist als der des Rohres.
2. Heizanlage nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem Hohltopf (32) ein erster Wärmetauscher (34) nachge­schaltet ist.
3. Heizanlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Rohr (10) ein sogenanntes Viertel-Wellenlängen-Rohr ist.
4. Heizanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Druckgradient permanent in dem Rohr (10) mittels eines außerhalb des stromauf gelegenen Rohrendes (28) angeordneten Gebläses (40) erzeugt wird, das einen Überdruck an diesem Rohr­ende von 0,5 bis 40 bar bewirkt.
5. Heizanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Position des Brennraumes (16) im Rohr (10) einstellbar ist.
6. Heizanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß stromab des ersten Wärmetauschers (34), welcher dem Hohl­topf (32) nachgeschaltet ist, eine Sprudeleinrichtung (60) als zweiter Wärmetauscher nachgeschaltet ist.
7. Heizanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Rohr (10) stromab des Brennraumes etwa U-förmig ge­krümmt ist, wobei das gekrümmte Rohrstück (24) etwa so lang ist wie die Hälfte bis ein Drittel der Gesamtlänge des Rohres.
8. Heizanlage nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Rohr (10) und der Hohltopf (32) sowie der erste Wär­metauscher (34) insgesamt etwa die Form eines umgekehrten U aufweisen und mit den beiden Schenkelenden auf einem Hohlkörper (38) befestigt sind.
9. Heizanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Brennraum (16) durch einen Rost (18) bestimmt wird, dessen Stellung im Rohr (10) einstellbar ist.
10. Heizanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Brennraum (16) als Fluidbett ausgebildet ist.
11. Heizanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß mittels des Gebläses (40) Sauerstoff in den Brennraum (16) eingeführt wird.
12. Heizanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß oberhalb des Brennraumes (16) ein Sauerstoffsensor angeord­net ist und daß entsprechend der mit diesem gemessenen Sauer­stoffkonzentration das Gebläse (40) gesteuert wird.
13. Heizanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Abstand des Brennraumes (16) vom stromauf gelegenen Rohrende (28) etwa 40 bis 60 % des Abstandes vom stromab ge­legenen Rohrende (30) beträgt.
14. Heizanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß mittels des Gebläses (40) ein Druckgradient von 1 bis 20 bar, vorzugsweise 8 bar, eingestellt wird.
15. Heizanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß am stromauf und/oder am stromab gelegenen Rohrende (28 bzw. 30) ein sogenanntes Flapperventil angeordnet ist.
16. Heizanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß stromab des Rohres (10) und des Brennraumes (16) und ge­gebenenfalls stromab der Sprudeleinrichtung (60) eine Einrich­tung (128) vorgesehen ist zum Eingeben von Ammoniaklösung, wel­che mit den Verbrennungsgasen in Berührung kommt, sowie eine Einrichtung (138) zum Eingeben eines Oxidationsmittels und von Ammoniak.
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