EP0798511B1 - Heizkessel und Verfahren zu seinem Betreiben - Google Patents

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EP0798511B1
EP0798511B1 EP97104267A EP97104267A EP0798511B1 EP 0798511 B1 EP0798511 B1 EP 0798511B1 EP 97104267 A EP97104267 A EP 97104267A EP 97104267 A EP97104267 A EP 97104267A EP 0798511 B1 EP0798511 B1 EP 0798511B1
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EP
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combustion chamber
heating boiler
axial
exhaust gas
secondary air
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Wolfgang Kunkel
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23BMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING ONLY SOLID FUEL
    • F23B5/00Combustion apparatus with arrangements for burning uncombusted material from primary combustion
    • F23B5/04Combustion apparatus with arrangements for burning uncombusted material from primary combustion in separate combustion chamber; on separate grate
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23BMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING ONLY SOLID FUEL
    • F23B7/00Combustion techniques; Other solid-fuel combustion apparatus
    • F23B7/002Combustion techniques; Other solid-fuel combustion apparatus characterised by gas flow arrangements
    • F23B7/005Combustion techniques; Other solid-fuel combustion apparatus characterised by gas flow arrangements with downdraught through fuel bed and grate

Definitions

  • the invention relates to a method according to the Preamble of claim 1. Furthermore, the Invention a boiler according to the preamble of Claim 3.
  • the flue gases can be particularly advantageous after their swirling in two essentially axial and parallel longitudinal flows through two essentially cylindrical, arranged downstream of the flue gas inlet Suck areas out of the combustion chamber.
  • the device mentioned at the outset has the solution to task set the features of the invention characterizing part of claim 3.
  • the flue gas duct forms a narrowest cross section, so to speak of the system in which a correspondingly high speed prevails. This leads - as in the case of known device - for a very good interference of Secondary air in the pyrolysis flue gases.
  • the mixture occurs then radially into the combustion chamber and hits the opposite combustion chamber wall on the axial inner rib.
  • the mixture flow divides and forms the two opposing longitudinal vertebrae, which are at their axial Hike through the entire combustion chamber mutually penetrate and thereby an extremely even and cause low-emission combustion.
  • the flue gas duct as Axial slot opens into the combustion chamber. This will cause this End of the combustion chamber, which is closed in the axial direction is already having a certain axial length of the combustion chamber the mixture consisting of the flue gases and the secondary air acted upon, with a relatively thin, broadband gas flow, which is divided into broadband, splits even thinner longitudinal eddy currents. This too helps to make the combustion even.
  • the secondary air duct to at least one side of the Axial slot runs essentially parallel to this and is connected to it by at least one slot nozzle.
  • the secondary air preheated in this way is removed by the Slit nozzle into the flue gas duct at a relatively high speed sucked in at a point where in this also has a relatively high flow rate prevails. It happens before entering the combustion chamber So to a very good mixing, which is encouraged by it can be that the slot nozzle in the flow direction the smoke is inclined.
  • edges of the axial slot are advantageously rounded inwards so that the opposite Vortex in the upper area towards the center of the combustion chamber are pressed downwards and thus in the area of the Combustion chamber center meet. This also promotes the mixing.
  • the cross section of the combustion chamber at least in the range of Flue gas routing essentially circular or elliptical is trained. Especially with circular cross sections excellent results have been achieved. But also the elliptical shape leads to very good mixing.
  • the axial inner rib advantageously extends essentially over the entire length of the combustion chamber, so that the opposite vortex formation up to the end of the combustion chamber stops.
  • the Area of the combustion chamber assigned to the flue gas duct downstream connect two substantially cylindrical areas that on both sides of the plane defined by the axial inner rib run parallel to each other up to the end of the combustion chamber.
  • the gas flow is thus within the combustion chamber divided into two parallel firing zones, in which the turbulence continues.
  • the combustion chamber is preferably below the filling space arranged, the flue gas duct essentially runs vertically. In this way, a special one arises favorable design and a uniform gas flow in the Footwell of the filling room, especially if the flue gas duct starts from the center of the filling chamber floor.
  • the boiler according to FIGS. 1 and 2 has a filling space 1 in which solid fuel 2 is pyrolyzed.
  • a primary air duct 3 opens in the filling chamber 1 is only indicated schematically here.
  • the combustion chamber 4 is over with the filling chamber 1 a flue gas duct 5 connected.
  • the mouth of the flue gas duct 5 lies at the right end of the combustion chamber 4, at which this is closed.
  • the smoke gases leave the Combustion chamber 4 at its left open end.
  • the combustion chamber 4 is also supplied with secondary air via a secondary air duct 6, which is only schematic in FIG. 1 is shown, but results more clearly from FIG. 2.
  • a suction fan 7 creates a vacuum in that Space in which the combustion chamber 4 opens. This leads to, that flue gases from the filling room 1 through the flue gas duct 5 are sucked into the combustion chamber 4. At the same time, primary air flows through the primary air duct 3 sucked through into the filling chamber 1. Secondary air sucked in through the secondary air duct 6.
  • Fig. 2 shows that the secondary air duct 6 from two channels exists, the flue gas duct 5 parallel on both sides run to this, the flue gas guide 5 in this Area is designed as an axial slot.
  • the connection of the Secondary air duct 6 with the flue gas duct 5 consists of Slot nozzles 8, which are inclined in the flow direction of the flue gas are. So it happens before entering the combustion chamber 4 for an intimate mixing of the flue gases with the secondary air.
  • the flue gas guide 5 opens radially into the combustion chamber 4.
  • the combustion chamber has an axial inner rib opposite it 9 on, which has a sharp-edged back and rounded merges into the combustion chamber wall.
  • the interior of the Incidentally, the combustion chamber is circular.
  • combustion chamber 4 essentially is elliptical, apart from the axial Inner rib 9 and that the edges 10 of the slot-shaped exhaust duct 5 rounded inwards are.
  • the opposite longitudinal vortices are therefore in the upper Area more towards the center of the combustion chamber directed where there is a particularly intensive mixing is coming.
  • combustion chamber 4 is only in that The area is elliptical, that of the flue gas duct 5 is assigned. Close to this area downstream two cylindrical areas 11 which the swirling Divide the flue gas flow into two partial flows. The latter run parallel to each other on both sides to that of the axial Inner rib 9 defined level.
  • the combustion chamber is 4th arranged centrally below the filling space 1, since this too an inexpensive slim design and an even one Gas extraction leads from the filling room.
  • the combustion chamber can also be located to the side of the filling chamber.
  • the cross section of the combustion chamber can change over their length and also the axis of the Combustion chamber to incline limited to the horizontal.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen Heizkessel nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 3.
Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind aus der EP-A- 0 563 499 bekannt. Das Saugzuggebläse sorgt dafür, daß die Primärluft in die Füllkammer gelangt, in der die Pyrolysierung stattfindet. Zur Erzielung einer möglichst schadstoffarmen Nachverbrennung werden die bei der Pyrolyse entstehenden Rauchgase zusammen mit der Sekundärluft in die dort halbzylindrische Brennkammer eingesaugt, und zwar unter Bildung der zwei geläufigen Längswirbel.
Es wurde gefunden, daß die Nachverbrennung unter dem Gesichtspunkt der Schadstoffemmissionen verbesserungsfähig ist, und der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Verbesserung zu erzielen.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist das eingangs genannte Verfahren erfindungsgemäß die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 auf.
Das Einsaugen der Sekundärluft in die Rauchgase vor deren Eintritt in die Brennkammer bewirkt - wie auch im Falle des bekannten Verfahrens - bereits eine sehr innige Durchmischung, bevor die eigentliche Nachverbrennung beginnt. In der Brennkammer kommt es dann unter der Wirkung der axialen Innenrippe zu einer sehr intensiven Verwirbelung, da die beiden gegenläufigen Längswirbel ineinandergreifen und ineinander übergehen. Die Nachverbrennung erfolgt entsprechend gleichmäßig, und zwar über der gesamten Länge der Brennkammer, mit der Folge, daß die Schadstoffemmissionen minimiert werden.
Dabei kann es besonders vorteilhaft sein, die Rauchgase nach ihrer Verwirbelung in zwei im wesentlichen axialen und parallelen Längsströmen durch zwei im wesentlichen zylindrische, stromab des Rauchgaseintritts angeordnete Bereiche hindurch aus der Brennkammer herauszusaugen.
Die eingangs genannte Vorrichtung weist zur Lösung der gestellten Aufgabe erfindungsgemäß die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 3 auf.
Die Rauchgasführung bildet sozusagen einen engsten Querschnitt des Systems, in dem eine entsprechend hohe Geschwindigkeit herrscht. Dies führt - wie auch im Falle der bekannten Vorrichtung - zu einer sehr guten Einmischung der Sekundärluft in die Pyrolyse-Rauchgase. Das Gemisch tritt sodann radial in die Brennkammer ein und trifft an der gegenüberliegenden Brennkammerwand auf die axiale Innenrippe. Hier teilt sich die Gemischströmung und bildet die beiden gegenläufigen Längswirbel, die sich bei ihrer axialen Wanderung durch die gesamte Brennkammer gegenseitig durchdringen und dadurch eine äußerst gleichmäßige und schadstoffarme Verbrennung bewirken.
Die Entstehung der gegenläufigen Längswirbel läßt sich dadurch fördern, daß die axiale Innenrippe einen scharfkantigen Rücken aufweist und gerundet in die Brennkammerwand übergeht.
Ferner ist es vorteilhaft, daß die Rauchgasführung als Axialschlitz in der Brennkammer mündet. Dadurch wird an diesem Ende der Brennkammer, das in Axialrichtung geschlossen ist, bereits eine gewisse axiale Länge der Brennkammer mit dem aus den Rauchgasen und der Sekundärluft bestehenden Gemisch beaufschlagt, und zwar mit einem relativ dünnen, breitbandigen Gasstrom, der sich in entsprechend breitbandige, noch dünnnere Längswirbelströme spaltet. Auch dies trägt dazu bei, die Verbrennung gleichmäßig zu gestalten.
Dabei besteht ein weiteres bevorzugtes Merkmal darin, daß die Sekundärluftführung mindestens zu einer Seite des Axialschlitzes im wesentlichen parallel zu diesem verläuft und durch mindestens eine Schlitzdüse mit ihm verbunden ist. Die auf diese Weise vorgewärmte Sekundärluft wird durch die Schlitzdüse mit relativ hoher Geschwindigkeit in die Rauchgasführung eingesaugt, und zwar an einer Stelle, an der in dieser ebenfalls eine relativ hohe Strömungsgeschwindigkeit herrscht. Bereits vor Eintritt in die Brennkammer kommt es also zu einer sehr guten Durchmischung, die noch dadurch gefördert werden kann, daß die Schlitzdüse in Strömungsrichtung der Rauchgase geneigt ist.
Vorteilhafterweise sind die Ränder des Axialschlitzes gerundet nach innen eingezogen, so daß die gegenläufigen Wirbel im oberen Bereich gegen das Zentrum der Brennkammer hin nach unten gedrückt werden und somit im Bereich des Brennkammerzentrums aufeinandertreffen. Auch dies fördert die Durchmischung.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der Querschnitt der Brennkammer mindestens im Bereich der Rauchgasführung im wesentlichen kreisförmig oder elliptisch ausgebildet ist. Besonders mit kreisförmigen Querschnitten wurden hervorragende Ergebnisse erzielt. Aber auch die elliptische Form führt zu einer sehr guten Durchmischung.
Die axiale Innenrippe erstreckt sich vorteilhafterweise im wesentlichen über die gesamte Länge der Brennkammer, so daß die gegenläufige Wirbelbildung bis zum Ende der Brennkammer anhält.
Alternativ dazu besteht die ebenfalls vorteilhafte Möglichkeit, daß sich an den im wesentlichen elliptischen, der Rauchgasführung zugeordneten Bereich der Brennkammer stromab zwei im wesentlichen zylindrische Bereiche anschließen, die beidseitig der von der axialen Innenrippe definierten Ebene parallel zueinander bis zum Ende der Brennkammer verlaufen. Die Gasströmung wird also innerhalb der Brennkammer nach ihrer Durchmischung in zwei parallele Brennzonen aufgeteilt, in denen sich die Verwirbelung fortsetzt.
Vorzugsweise ist die Brennkammer unterhalb des Füllraumes angeordnet, wobei die Rauchgasführung im wesentlichen vertikal verläuft. Auf diese Weise ergibt sich eine besonders günstige Bauform und eine gleichmäßige Gasströmung im Fußraum des Füllraums, insbesondere wenn die Rauchgasführung vom Zentrum des Füllraumbodens ausgeht.
Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
Fig. 1
einen Vertikalschnitt durch einen Heizkessel;
Fig. 2
einen Teilschnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1;
Fig. 3
eine abgewandelte Ausführungsform in einer Darstellung nach Fig. 2;
Fig. 4
eine weitere abgewandelte Ausführungsform in einer Darstellung nach Fig. 2.
Der Heizkessel nach den Fig. 1 und 2 weist einen Füllraum 1 auf, in welchem fester Brennstoff 2 pyrolysiert wird. Hierzu mündet im Füllraum 1 eine Primärluftführung 3, die hier nur schematisch angedeutet ist. Unterhalb des Füllraum befindet sich eine langgestreckte Brennkammer 4 mit horizontaler Achse. Die Brennkammer 4 ist mit dem Füllraum 1 über eine Rauchgasführung 5 verbunden. Die Mündung der Rauchgasführung 5 liegt am rechten Ende der Brennkammer 4, an welchem diese geschlossen ist. Die Rauchgase verlassen die Brennkammer 4 an deren linkem offenem Ende. Die Brennkammer 4 wird außerdem mit Sekundärluft versorgt, und zwar über eine Sekundärluftführung 6, die in Fig. 1 nur schematisch dargestellt ist, sich aber deutlicher aus Fig. 2 ergibt.
Ein Saugzuggebläse 7 erzeugt einen Unterdruck in demjenigen Raum, in dem die Brennkammer 4 mündet. Dies führt dazu, daß Rauchgase aus dem Füllraum 1 durch die Rauchgasführung 5 hindurch in die Brennkammer 4 eingesaugt werden. Gleichzeitig wird Primärluft durch die Primärluftführung 3 hindurch in den Füllraum 1 eingesaugt. Ferner wird Sekundärluft durch die Sekundärluftführung 6 angesaugt.
Fig. 2 zeigt, daß die Sekundärluftführung 6 aus zwei Kanälen besteht, die beidseitig der Rauchgasführung 5 parallel zu dieser verlaufen, wobei die Rauchgasführung 5 in diesem Bereich als Axialschlitz ausgebildet ist. Die Verbindung der Sekundärluftführung 6 mit der Rauchgasführung 5 besteht aus Schlitzdüsen 8, die in Strömungsrichtung des Rauchgases geneigt sind. Vor Eintritt in die Brennkammer 4 kommt es also zu einer innigen Durchmischung der Rauchgase mit der Sekundärluft.
Die Rauchgasführung 5 mündet radial in der Brennkammer 4. Ihr gegenüber weist die Brennkammer eine axiale Innenrippe 9 auf, die einen scharfkantigen Rücken besitzt und gerundet in die Brennkammerwand übergeht. Der Innenraum der Brennkammer ist im übrigen kreisförmig ausgebildet.
Wenn das mit der Sekundärluft gemischte Rauchgas am Ort der axialen Innenrippe auf die Brennkammerwand auftritt, teilt es sich in zwei gegenläufige Längswirbel, wie dies in Fig. 2 durch Pfeile angedeutet ist. Diese Art der Strömungsführung bewirkt eine sehr intensive Durchmischung und Verwirbelung, woraus eine sehr gleichmäßige und dementsprechend schadstoffarme Nachverbrennung resultiert.
Die Ausführungsform nach Fig. 3 unterscheidet sich von der nach Fig. 2 dadurch, daß die Brennkammer 4 im wesentlichen elliptisch ausgebildet ist, abgesehen von der axialen Innenrippe 9 und abgesehen davon, daß die Ränder 10 der schlitzförmigen Abgasführung 5 gerundet nach innen eingezogen sind. Die gegenläufigen Längswirbel werden also im oberen Bereich stärker in Richtung auf das Zentrum der Brennkammer gelenkt, wo es zu einer besonders intensiven Durchmischung kommt.
Gemeinsam ist den Ausführungen nach den Fig. 2 und 3, daß sich die axialen Innenrippen 9 über die gesamte Länge der Brennkammer erstrecken.
Dies ist bei der Ausführungsform nach Fig. 4 nicht der Fall. Vielmehr ist hier die Brennkammer 4 lediglich in demjenigen Bereich elliptisch ausgebildet, der der Rauchgasführung 5 zugeordnet ist. An diesen Bereich schließen sich stromab zwei zylindrische Bereiche 11 an, die den wirbelnden Rauchgasstrom in zwei Teilströme unterteilen. Letztere verlaufen parallel zueinander beidseitig zu der von der axialen Innenrippe 9 definierten Ebene.
Bei allen Ausführungsbeispielen ist die Brennkammer 4 zentral unterhalb des Füllraums 1 angeordnet, da dies zu einer günstigen schmalen Bauform und zu einer gleichmäßigen Gasabsaugung aus dem Füllraum führt.
Hingegen sind durchaus Abwandlungsmöglichkeiten gegeben. So kann die Brennkammer auch seitlich zum Füllraum liegen. Ferner besteht die Möglichkeit, den Querschnitt der Brennkamer über deren Länge zu verändern und auch die Achse der Brennkammer gegenüber der Horizontalen begrenzt zu neigen. Außerdem kommen abweichende Querschnittsformen der Brennkammer in Frage, beispielsweise vieleckige Polygone, wenn sich auch insbesondere die Kreisform besonders bewährt hat.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Heizkessels, wobei
    feste Brennstoffe unter Zugabe von Primärluft pyrolysiert werden,
    die entstehenden Rauchgase durch Zugabe von Sekundärluft und unter Verwirbelung durch eine langgestreckte, im wesentlichen horizontale Brennkammer hindurchgesaugt werden,
    die Sekundärluft den Rauchgasen vor Eintritt in die Brennkammer zugegeben wird und
    in der Brennkammer zwei gegenläufige, im wesentlichen parallelachsige Längswirbel erzeugt werden,
       dadurch gekennzeichnet,
    daß die Längswirbelerzeugung durch eine axiale Längsrippe gefördert wird, die auf der Innenseite der Brennkammer dem Rauchgaseintritt gegenüberliegend angeordnet ist, und
    daß die Rauchgase an einem Ende der Brennkammer eingeführt und am anderen Ende abgesaugt werden, so daß eine vollständige axiale Durchströmung der Brennkammer erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauchgase nach ihrer Verwirbelung in zwei im wesentlichen axialen und parallelen Längsströmen durch zwei im wesentlichen zylindrische, stromab des Rauchgaseintritts angeordnete Bereiche hindurch aus der Brennkammer herausgesaugt werden.
  3. Heizkessel zum Verbrennen von festen Brennstoffen, mit
    einem Füllraum (1) zum Pyrolysieren der Brennstoffe,
    einer im Füllraum mündenden Primärluftführung (3),
    einer langgestreckten Brennkammer (4) mit im wesentlichen horizontalen Achse,
    einer Rauchgasführung (5), die das untere Ende des Füllraums (1) mit der Brennkammer (4) verbindet,
    einem mit einem Ende der Brennkammer (4) in Verbindung stehenden Saugzuggebläse (7) und
    einer die Brennkammer (4) versorgenden Sekundärluftführung (6),
    wobei die Sekundärluftführung (6) in der Rauchgasführung (5) und diese radial in der Brennkammer (4) mündet,
       dadurch gekennzeichnet,
    daß die Brennkammer (4) eine der Rauchgasführung (5) gegenüberliegende axiale Innenrippe (9) aufweist und
    daß die Rauchgasführung (5) an demjenigen Ende in die Brennkammer (4) mündet, welches dem mit dem Saugzuggebläse (7) in Verbindung stehenden Ende entgegengesetzt ist, so daß eine vollständige axiale Durchströmung der Brennkammer erfolgt.
  4. Heizkessel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Innenrippe (9)einen scharfkantigen Rücken aufweist und gerundet in die Brennkammerwand übergeht.
  5. Heizkessel nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauchgasführung (5) als Axialschlitz in der Brennkammer (4) mündet.
  6. Heizkessel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärluftführung (6) mindestens zu einer Seite des Axialschlitzes im wesentlichen parallel zu diesem verläuft und durch mindestens eine Schlitzdüse (8) mit ihm verbunden ist.
  7. Heizkessel nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzdüse (8) in Strömungsrichtung der Rauchgase geneigt ist.
  8. Heizkessel nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ränder (10) des Axialschlitzes gerundet nach innen eingezogen sind.
  9. Heizkessel nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Brennkammer (4) mindestens im Bereich der Rauchgasführung (5) im wesentlichen kreisförmig oder elliptisch ausgebildet ist.
  10. Heizkessel nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich die axiale Innenrippe (9) im wesentlichen über die gesamte Länge der Brennkammer (4) erstreckt.
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