EP0964202A2 - Heizkessel zur Verbrennung von Holz - Google Patents

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EP0964202A2
EP0964202A2 EP99111305A EP99111305A EP0964202A2 EP 0964202 A2 EP0964202 A2 EP 0964202A2 EP 99111305 A EP99111305 A EP 99111305A EP 99111305 A EP99111305 A EP 99111305A EP 0964202 A2 EP0964202 A2 EP 0964202A2
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
boiler
filling shaft
wood
primary air
filling
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP99111305A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP0964202A3 (de
Inventor
Anselm Eckel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ebert Jens Dipl-Ing
Original Assignee
Ebert Jens Dipl-Ing
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Filing date
Publication date
Application filed by Ebert Jens Dipl-Ing filed Critical Ebert Jens Dipl-Ing
Publication of EP0964202A2 publication Critical patent/EP0964202A2/de
Publication of EP0964202A3 publication Critical patent/EP0964202A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L1/00—Passages or apertures for delivering primary air for combustion 
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23B—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING ONLY SOLID FUEL
    • F23B5/00—Combustion apparatus with arrangements for burning uncombusted material from primary combustion
    • F23B5/04—Combustion apparatus with arrangements for burning uncombusted material from primary combustion in separate combustion chamber; on separate grate
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23B—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING ONLY SOLID FUEL
    • F23B1/00—Combustion apparatus using only lump fuel
    • F23B1/30—Combustion apparatus using only lump fuel characterised by the form of combustion chamber
    • F23B1/36—Combustion apparatus using only lump fuel characterised by the form of combustion chamber shaft-type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23B—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING ONLY SOLID FUEL
    • F23B7/00—Combustion techniques; Other solid-fuel combustion apparatus
    • F23B7/002—Combustion techniques; Other solid-fuel combustion apparatus characterised by gas flow arrangements
    • F23B7/005—Combustion techniques; Other solid-fuel combustion apparatus characterised by gas flow arrangements with downdraught through fuel bed and grate
    • 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
    • F23M5/00—Casings; Linings; Walls
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G2209/00—Specific waste
    • F23G2209/26—Biowaste
    • F23G2209/261—Woodwaste

Definitions

  • the invention relates to a boiler with improved combustion of preferably Logs for the environmentally friendly generation of useful heat.
  • a solid fuel boiler is included as an under-fire boiler a vortex combustion chamber made of highly refractory stones that can be kept at up to 1,600 degrees Celsius are described. Water-bearing secondary heating surfaces serve as heat exchangers reduce exhaust gas temperature and thereby improve efficiency.
  • the wood gasification boiler from Lopper Kesselbau GmbH is also one Log boilers known according to the burning principle. Due to the large wall thickness of the filling shaft walls and honeycomb-shaped ceramic masses in the alloy cast steel grate and in The boiler has a high heat storage capacity in the adjacent swirl combustion chamber the disadvantage of this boiler, like all other known boilers, is not full-surface heat-insulating lining of the filling shaft walls. The primary air flows diffuse and too far from the flame outlet into the filling shaft.
  • the wood gasification boiler from the company Brunzel owns firewood a swirl chamber burner according to EP 87116709, which consists of refractory ceramic.
  • a special air supply guides the combustion air as secondary air via a fan Air channels both in the filling shaft and in the cavity of the fire ceramic floor of the Vortex chamber burner. In the middle of this burn is a high-alloy turbo disc Cast inlaid.
  • the disadvantages of this wood gasification boiler are many.
  • the Primary air enters the filling shaft diffusely and over a large area and is discharged through the Flame extraction deducted at the bottom of the filling shaft. Most of the wood stock will included relatively quickly in the combustion process. A full lining of the Filling shaft is missing.
  • the modern wood gasification boiler from Froling with the high temperature swirl combustion chamber according to AT 400180 is like all known boilers in the two-block construction with a completely separate combustion chamber and heat exchanger.
  • This wood gasification boiler also has an induced draft fan that is adjustable in speed.
  • a Smoldering gas extraction reduces smoke emissions when adding logs.
  • the primary air is nearby of the flame and ash extraction flows into the filling shaft, but not as close as necessary and above all not small-area and directed.
  • a lining of the filling shaft is only intended for partial areas.
  • the heat storage capacity of the boiler is through Ceramic masses in the filling chamber floor and in the swirl chamber are too high.
  • the secondary air is only partially reliable in the ceramic masses via air channels Combustion process fed.
  • the combustion zone moves within the wood filling and / or irregularly between the side of the wood and the filling wall or lining quickly up.
  • the resulting convection inside the hopper cools the combustion zone under construction and especially when firing leads to the fact that the temperature required for complete combustion only in the first hour of operation is reached late.
  • the combustion process gets more heat right from the start withdrawn, the more wood in the filling shaft relatively quickly included in the combustion process becomes.
  • the heat of vaporization of the volatile components contained in the wood and the Thermal inertia of the wood filling must be overcome so that the burner in the wood gasification boiler doesn't smoke. The pollutant emissions would be enormous in this phase.
  • the primary air supply When burning wood in boilers, the primary air supply has a special one Effect on the combustion process.
  • Two ways of primary air supply are known. Either the primary air flows relatively far away according to the modern wood gasification principle from the flame outlet from above or laterally through openings in the filling shaft withdrawn vertically downwards as combustion gas or the primary air supply follows the principle of the lower combustion boiler from below through the grate of the boiler, the Flame extraction is arranged laterally in the filler shaft of the boiler.
  • the known wood gasification boilers have a disadvantageous primary and secondary air supply in the combustion process.
  • the primary air becomes more or less diffuse and largely from openings in the area of the filling shaft wall, from at most semi-closed Profiles or passed from below through the grate into the combustion chamber.
  • the direct one Primary air is fed into the lower filling shaft area close to the flame outlet is not possible that way.
  • the combustion is not on the lower, as small as possible Filling shaft area limited, but more or less that, following the convection entire filling shaft.
  • the secondary air is partly through air channels made of heavy ceramic material fed. This crack-sensitive material is subjected to constant temperature changes.
  • Another disadvantage can be in regulating the boiler according to the flame temperature Boiler temperature or by means of a lambda probe, the contamination is not taken into account of the boiler, which is associated with an undesired loss of efficiency. It is particularly disadvantageous that the firing mode of the usual wood gasification boilers heating up with paper and smaller chips requires that you achieve one appropriate bed of embers to put the actual logs on. Of the This significantly reduces ease of use. Cheering on is time consuming and unsafe and in this phase is associated with significant emissions of pollutants count. The filling door usually has to be replaced after a corresponding embers bed has been created be opened to add large logs.
  • the object of the invention is a wood gasification boiler with improved Burning quality of the wood and therefore higher efficiency.
  • the object of the invention is achieved in that in the wood gasification boiler closed hollow bodies designed channels for the primary air in the lower filling shaft area are arranged and these channels in the combustion chamber facing, preferably convexly curved or polygonal shaped side wall small-area entry openings for the primary air, which is close to the flame and Ash removal and the outer skin of the two molded side walls of the primary air duct form the limiting shape of the pre-combustion zone of the lower filling shaft, that the channel for the secondary air is formed as a separate, closed hollow body and is preferably arranged directly below the flame and ash extraction that at large widths of the filling shaft of the wood gasification boiler at least two flame and Ash deductions on the two long sides of the hopper over most of the length of the hopper has that the wood gasification boiler one of preferably one component existing fire-resistant and thin-walled lining, which at least all vertical Filling shaft walls completely insulated from the inside of the filling shaft and between the filling shaft walls and the thin-walled lining an intermediate space by means
  • the supply of the primary air through small-area inlet openings serves for uniform Distribution of the air, produces a homogeneous combustion and thus has an effect unwanted convection within the filling shaft.
  • the combustion is concentrated directly on the lower area of the hopper. Regardless of the Flow conditions in the combustion chamber are through all inlet openings of the primary air flows through their small area evenly since the main pressure drop takes place here.
  • thin-walled materials are for the entire wood gasification boiler used.
  • the filling shaft in particular is covered by a light lining according to the invention over the entire surface compared to the water-filled filling shaft walls isolated.
  • the heating return is by means of a pipe inserted in the boiler wall of the water-cooled wood gasification boiler directly to the ones to be cooled Surfaces of the boiler.
  • the wood gasification boiler according to FIGS. 1 and 2 is made of stainless steel small sheet thicknesses and with a 60 - 100 mm thick insulation layer under the Cladding against heat loss delimited to the outside. It has a double wall Construction and is water-cooled in the open system.
  • the wood gasification boiler has the rectangular filling shaft 1, which the loading door 2 is loaded.
  • the flame and Ash extractor 3 with a rectangular cross section through which the flame from the Combustion zone of the filling shaft 1 with the secondary air admixed vertically is led into the vortex chamber 4 below.
  • the combustion gases then flow through the Afterburning chamber 5 via the heat exchanger and exhaust pipe not shown in FIG Chimney.
  • the burning of the logs is carried out by a continuously variable electronic control according to the exhaust gas temperature so influenced that which is controlled by an exhaust motor based on the exhaust gas temperature Primary air flap 6 the cross section of the primary air supply before the refractory Primary air duct 7 continuously between fully closed and fully changed.
  • the optimal combustion of the logs depends on the observance of a certain one Relationship between regulated primary air and constant secondary air.
  • the primary air is via the refractory primary air duct 7, which is in the lower region of the Filling shaft 1 simultaneously takes over the function of the refractory lining 8, in the Combustion zone of the filling shaft 1 passed.
  • the refractory primary duct 7 is directly connected to the primary air flap 6 acting as a metering device.
  • the secondary air flows through the refractory secondary air duct 10 directly above or preferably below the flame and ash extraction 2 and mixes there the flame gases coming from the combustion zone of the filling shaft 1 in order to Gas mixture to flow into the swirl chamber 4.
  • the filling shaft 1 is made of thin stainless steel sheet with the refractory lining 8 provided according to the invention such that at least all vertical, water-bearing Filling shaft walls are completely covered.
  • the space 12 Through the U-shaped spacers 11 arises between the walls of the filling shaft 1 and the refractory lining 8 the space 12, either through the air layer or through insulation the filling shaft 1 over the entire surface against the colder, water-cooled walls of the Filling shaft 1 isolated.
  • the refractory lining 8 reaches in the course of the burn a log filling full surface such temperatures that still occurring tar deposits Burn free again and the danger of bridging within the log filling is banned by bad slipping.
  • the refractory primary air duct 7 has the inlet openings 9 for the Primary air in the filling shaft 1 and the secondary air shaft 10, the inlet openings 13 for the secondary air in the flame and ash extraction 3.
  • the shape of the two Primary air ducts 7 can be selected to be round, convex or polygonal.
  • the Inlet openings for the primary air 9 and and the inlet openings for the secondary air 13 are in sufficiently inclined areas of the respective refractory air ducts 7 and 10 inserted that they are positioned free of ash.
  • Air ducts 7 and 10 form the limiting shape of the lower combustion chamber area in their design. Under the swirl chamber 4 is located in this area.
  • the fireproof lining 8 Due to the light and heat-insulating design, the fireproof lining 8 has a extremely low heat storage capacity. This is the basic requirement for a fast Reaching the optimal working temperature.
  • the thermal insulation is a permanent tar deposits in the filling shaft 1 prevented and also the formation of Charcoal supports.
  • the use of the fireproof lining 8 made of profiled Stainless steel sheet results in a longer durability and a weight saving compared conventionally lined or not lined boilers. Tensions through Constant temperature changes and mechanical loads are well compensated. By the fireproof lining 8 protected wall of the filling shaft 1 reaches a longer one Lifespan.
  • the preservation of the charcoal in the filling shaft 1 of the wood gasification boiler is According to the invention after airtight shutdown of the primary air supply by means of the primary air flap 6 realizable.
  • the steel pipe 15 which is directly under the afterburning chamber 5th is arranged, the heating return to the hot zone of the wood gasification boiler.
  • the wood gasification boiler according to the invention achieves great uniformity in the Operation, with at least 90% of the operating time in the range of the optimal combustion technology Efficiency is. Only the remaining operating time is spent on heating up, Switch off, hollow burner and malfunctions.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Heizkessel mit verbesserter Holzverbrennung bei vorzugsweiser Scheitholzverbrennung für die umweltentlastende Erzeugung von Nutzwärme. Die Aufgabe der Erfindung besteht in einem Holzvergaser-Heizkessel mit verbesserter Verbrennungsqualität und somit erhöhtem Wirkunggrad. Erfindungsgemäß wird der Holzvergaser-Heizkessel mit direkter Zuführung der Primär- (9) und Sekundärluft (10) über Kanäle (4) in den unteren Füllschachtbereich in unmittelbarer Nähe des Flammen- und Ascheabzugs realisiert und damit die Konzentration der Holzscheitverbrennung im unteren Füllschachtbereich (3) erreicht und auf Dauer gehalten. Die Vermeidung schwerer Speichermassen im Verbrennungsraum durch Einsatz von dünnwandigen Füllschachtwänden (8) mit geeigneter vollflächiger Isolierung (12) des Füllschachtes sichert eine Verbesserung des Wirkungsgrads. Mittels luftdichten Abschaltens der Primärluftzufuhr (6) wird die im unteren Füllschachtbereich gebildete Holzkohle konserviert, dort belassen und zum schadstoffarmen Wiederanfeuern des Holzvergaser-Heizkessel mit geringem Bedienungsaufwand verwendet. Anwendungsgebiet der Erfindung ist die umweltentlastende Nutzwärmeerzeugung aus dem Brennstoff Holz. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Heizkessel mit verbesserter Verbrennung von vorzugsweise Scheitholz für die umweltentlastende Erzeugung von Nutzwärme.
Bekanntlich erfolgt die effiziente Holzverbrennung in drei Phasen, wobei zuerst während des Verbrennungsvorgangs im mit Holzscheiten gefüllten Heizkessel der Brennstoff bei etwa 200 Grad Celsius trocknet. Danach zersetzt sich das Holz bei steigenden Temperaturen bis etwa 600 Grad Celsius in seine chemischen Produkte. Es beginnt Wärme frei zu werden, wenn die Stoffe in der Flamme oxidieren. Zur Verbrennung der entstandenen Schwelgase sind eine ausreichende Vermischung dieser Gase mit der Sekundärluft, eine Mindesttemperatur von 850 Grad Celcius und eine ausreichende Verweilzeit der brennenden Gase bei dieser Temperatur erforderlich.
Diesen Verbrennungsvorgang im Holzvergaser-Heizkessel hinsichtlich seines Wirkungsgrades zur Wärmeerzeugung zu optimieren und dabei das Volumen der die Umwelt belastenden Abgase nach diesem Vorgang zu minimieren, sind eine Vielzahl technischer Mitteln bereits beschrieben worden.
Im Prospekt der Ackermann-Gruppe wird ein Festbrennstoffkessel als Unterbrandkessel mit einer Wirbel-Brennkammer aus hochfeuerfesten Steinen, die bis 1.600 Grad Celsius haltbar sind, beschrieben. Als Wärmetauscher dienen wasserführende Nachschalt-Heizflächen, die abgastemperaturmindernd und dadurch den Wirkungsgrad verbessernd wirken sollen.
Durch das hohe Wärmespeichervermögen des Heizkessels wird die Betriebstemperatur relativ spät erreicht. Durch die Rücklaufanhebung verbleibt nach der Abschaltung des Heizkessels eine ungewollte Restwärme. Die Primärluft tritt diffus und ungeordnet durch den Rost von unten in die Verbrennungszone ein.
Aus diesem Kesselgrundtyp hat sich der modernere Holzvergaser-Heizkessel mit senkrecht nach unten führendem Flammen- und Ascheabzug entwickelt. Die Primärluft wird großflächig und entfernt vom Flammen- und Ascheabzug zugeführt. Nachteilig ist, daß bei diesem Kessel keine vollflächige Auskleidung des Füllschachtes existiert.
Durch den Holzvergaser-Heizkessel der Firma Lopper Kesselbau GmbH ist ebenfalls ein Scheitholzkessel nach dem Unterbrandprinzip bekannt. Durch große Wandstärken der Füllschachtwände und wabenförmige keramische Massen im Rost aus legiertem Stahlguß und in der angrenzenden Wirbelbrennkammer weist der Heizkessel ein hohes Wärmespeichervermögen auf Nachteil dieses Heizkessels ist wie bei allen anderen bekannten Kesseln die nicht vollflächige wärmeisolierende Auskleidung der Füllschachtwände. Die Primärluft strömt diffus und zu weit vom Flammenabzug entfernt in den Füllschacht ein.
Der Holzvergaser-Heizkessel der Firma Künzel zur Verbrennung von Scheitholz besitzt einen Wirbelkammerbrenner nach EP 87116709, der aus feuerfester Keramik besteht. Eine spezielle Luftzuführung leitet mittels Gebläse die Verbrennungsluft als Sekundärluft über Luftkanäle sowohl in den Füllschacht als auch in den Hohlraum des Feuerkeramikbodens des Wirbelkammerbrenners. In der Mitte disees Brennen ist eine Turboscheibe aus hochlegiertem Guß eingelegt. Die Nachteile dieses Holzvergaser-Heizkessels sind vielfältig. Die Primärluft tritt diffus und großflächig von oben in den Füllschacht ein und wird durch den Flammenabzug am Boden des Füllschachtes abgezogen. Der Großteil des Holzvorrates wird relativ schnell in den Verbrennungsprozeß einbezogen. Eine vollflächige Auskleidung des Füllschachtes fehlt. Keramische Massen am Boden des Füllschachtes bilden einen rißempfindlichen Kanal für die Sekundärluftzuführung. Der Heizkessel neigt durch seine Anordnung von Primärluftzuführung und Flammenabzug besonders zu unerwüschtem Hohlbrand. Durch das Prospekt der Firma Herz wird ein moderner Holzvergaser-Heizkessel zur Verbrennung von Holzscheiten beschrieben, der nachfolgende Nachteile aufweist. Durch über dem als Rost mit wenigen Öffnungen ausgeführten Flammenabzug endende Bleche wird die Primärluft nur dem unteren Bereich des Füllschachtes, aber nicht in die Nähe des Flammenabzuges geführt. Die Primärluft strömt durch die großflächigen Schlitze diffus und sogar nach oben in Richtung Brennstoff, sodaß die Gefahr des Hohlbrennens besteht. Der Verbrennungsraum für das Holz bleibt nicht aufden unteren Füllschachtbereich begrenzt.
Der moderne Holzvergaser-Heizkessel der Firma Fröling mit der Hochtemperaturwirbelbrennkammer nach AT 400180 ist wie alle bekannten Heizkessel in der Zweiblockbauweise mit völlig getrennten Verbrennungsraum und Wärmetauscher aufgebaut. Dieser Holzvergaser-Heizkessel besitzt zudem ein in seiner Drehzahl regelbares Saugzuggebläse. Eine Schwelgasabsaugung mindert den Rauchaustritt beim Nachlegen der Holzscheite. Der Nachteil dieses Holzvergaser-Heizkessels besteht darin, daß die Primärluft zwar in der Nähe des Flammen- und Ascheabzugs in den Füllschacht einströmt, aber nicht so nahe wie notwendig und vor allem nicht kleinflächig und gerichtet. Eine Auskleidung des Füllschachtes ist nur teilflächig vorgesehen. Das Wärmespeichervermögen des Heizkessels ist durch keramische Massen im Füllschachtboden und in der Wirbelkammer zu hoch. Die Sekundärluft wird über Luftkanäle in den keramischen Massen nur bedingt zuverlässig dem Verbrennungsvorgang zugeführt. Die Verbrennungszone wandert innerhalb der Holzfüllung und / oder seitlich zwischen Holz und Füllschachtwand oder Auskleidung unregelmäßig schnell nach oben. Die daraus resultierende Konvektion innerhalb des Füllschachtes kühlt die im Aufbau befindliche Verbrennungszone und führt besonders beim Anfeuern dazu, daß in der ersten Betriebsstunde die zur vollständigen Verbrennung benötigte Temperatur erst spät erreicht wird. Dem Verbrennungsprozeß wird gleich zu Beginn um so mehr Wärme entzogen, je mehr Holz im Füllschacht relativ schnell in den Verbrennungsprozeß einbezogen wird. Die Verdampfungswärme der im Holz enthaltenen flüchtigen Bestandteile und die thermische Trägheit der Holzfüllung sind zu überwinden, damit der Brenner im Holzvergaser-Heizkessel nicht raucht. Der Schadstoffausstoß wäre in dieser Phase enorm.
Der gemeinsame Nachteil aller bekannten Holzvergaser-Heizkessel besteht darin begründet, daß die feuerfesten Auskleidungen des Füllschachtes, falls überhaupt vorgesehen, aus relativ schweren keramischen Massen sind, die ebenfalls ein thermisch träges Verhalten aufweisen. Die üblichen vollflächigen Auskleidungen sind nur aus Keramik anzutreffen. Auskleidungen, die nur einen bestimmten Bereich der wassergekühlten Füllschachtwände teilflächig überdecken, bestehen aus Blechplatten, Blechstreifen oder Blechprofilen, die lediglich ein besseres Nachrutschen der Holzscheite im Füllschacht sichern sollen. Allen Auskleidungen haftet der Nachteil der schlechten Wärmeisolation gegenüber den wassergekühlten Füllschachtwänden an. Die keramischen Auskleidungen werden durch Dauertemperaturwechsel und mechanische Beanspruchungen bei der Holzbefüllung belastet.
Durch die genannten Abkühlungseffekte wird der Taupunkt im Füllschacht großflächig unterschritten. Vermehrte Kondensat- und Teerbildung, Kesselverschmutzungen und Schadstoffemissionen sind die Folgen. Der infolge von verstärkter Kondensatbildung besonders im Füllschachtbereich einsetzende Korrosion wird bei den Holzheizkesseln ohne keramische Auskleidung durch größere Wanddicken der Füllschachtwände entgegengewirkt. Dieses führt bei diesen Heizkesseln zu hohem Gewicht und zur thermischen Trägheit.
Bei der Verbrennung von Holz in Heizkesseln hat die Primärluftzufuhr eine besondere Wirkung auf den Verbrennungsvorgang. Bekannt sind zwei Wege der Primärluftzuführung. Entweder strömt die Primärluft nach dem modernen Holzvergaserprinzip relativ weit entfernt vom Flammenabzug von oben oder seitlich durch Öffnungen in den Füllschacht ein und wird senkrecht nach unten als Verbrennungsgas abgezogen oder die Primärluftzufuhr erfolgt nach dem Prinzip des Unterbrandkessels von unten durch den Rost des Heizkessels, wobei der Flammenabzug seitlich im Füllschacht des Heizkessels angeordnet ist.
Die bekannten Holzvergaser-Heizkessel weisen eine nachteilige Primär- und Sekundärluftzuführung bei dem Verbrennungsvorgang auf. Die Primärluft wird mehr oder weniger diffus und großflächig aus Öffnungen im Bereich der Füllschachtwand, aus höchstens halbgeschlossenen Profilen oder von unten durch den Rost in den Brennraum geleitet. Die direkte Zuführung der Primärluft in den unteren Füllschachtbereich in die Nähe zum Flammenabzug ist so nicht möglich. Die Verbrennung ist nicht auf den unteren, möglichst kleinen Füllschachtbereich begrenzt, sondern erfaßt, der Konvektion folgend, mehr oder weniger den gesamten Füllschacht.
Die Sekundärluft wird teilweise durch Luftkanäle aus schwerem keramischen Material zugeführt. Dieses rißempfindliche Material wird durch Dauertemperaturwechsel beansprucht.
Bei den bekannten Holzvergaser-Heizkesseln werden Primärluftzufuhr und Flammenabzug zu weit voneinander entfernt angeordnet, sodaß in Verbindung mit den oben genannten Abkühlungsprozessen, insbesondere bei niedriger Heizleistung, die Zündtemperatur unterschritten wird und die Flamme abreißen kann.
Weiterer Nachteil kann bei der Regelung des Heizkessels nach der Flammentemperatur, der Kesseltemperatur oder mittels Lambda-Sonde die Nichtberücksichtigung der Verschmutzung des Heizkessels sein, was mit einem ungewollten Wirkungsgradverlust verbunden ist. Besonders nachteilig ist, daß der Anfeuerungsmodus der üblichen Holzvergaser-Heizkessel ein Anheizen mit Papier und kleineren Spänen verlangt, das heißt die Erreichung eines entsprechenden Glutbettes, um darauf die eigentlichen Holzscheite aufzulegen. Der Bedienungskomfort wird dadurch erheblich eingeschränkt. Das Anfeuern ist zeitaufwendig und unsicher und in dieser Phase ist mit einem erheblichen Ausstoß von Schadstoffen zu rechnen. Die Fülltür muß meist nach Entstehung eines entsprechenden Glutbettes nochmals geöffnet werden, um große Holzscheite nachzulegen.
Bei Holzvergaser-Heizkesseln mit größerem Füllschachtinhalt, was zwangsläufig eine Verbreiterung des Füllschachtes nach sich zieht, kommt es üblicherweise bei nur einem Flammen- und Ascheabzug nach unten zum Aschestau in den Randbereichen. Die Entfernung von Eintrittsöffnungen für die Primärluft und Flammenabzug vergrößert sich noch mehr. Brückenbildungen im Füllschachtbereich mit Hohlbrennern im Brennstoff sind die Folge.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in einem Holzvergaser-Heizkessel mit verbesserter Verbrennungsqualität des Holzes und somit höherem Wirkungsgrad.
Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß im Holzvergaser-Heizkessel als geschlossene Hohlkörper ausgebildete Kanäle für die Primärluft im unteren Füllschachtbereich angeordnet sind und diese Kanäle in der zum Brennraum zugewandten, vorzugsweise konvex gewölbten oder mehreckig geformten Seitenwand kleinflächige Eintrittsöffnungen für die Primärluft besitzen, welche sich im geringen Abstand zum Flammen- und Ascheabzug befinden, und die Außenhaut der beiden geformten Seitenwände des Primärluftkanals die begrenzende Form der Vorverbrennungszone des unteren Füllschachtes bilden, daß der Kanal für die Sekundärluft als separater, geschlossener Hohlkörper ausgebildet und vorzugsweise direkt unterhalb des Flammen- und Aschenabzuges angeordnet ist, daß bei großen Breiten des Füllschachtes der Holzvergaser-Heizkessel mindestens zwei Flammen- und Ascheabzüge an den beiden Längsseiten des Füllschachtes über den Großteil der Füllschachtlänge besitzt, daß der Holzvergaser-Heizkessel eine aus vorzugsweise einem Bauteil bestehende feuerfeste und dünnwandige Auskleidung besitzt, die mindestens alle senkrechten Füllschachtwände vollflächig zum Inneren des Füllschachtes isoliert und zwischen den Füllschachtwänden und der dünnwandigen Auskleidung ein Zwischenraum mittels geeigneten Abstandshaltern ausgebildet ist, der mit Luft und / oder hitzebeständigem Dämmstoffausgefüllt ist.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Primärluftzuführung im Holzvergaser-Heizkessel wird eine Konzentration der Verbrennung des Scheitholzes im unteren Füllschachtbereich erreicht und dort auch gehalten. Dadurch ist gewährleistet, daß der Heizkessel über einen langen Zeitraum im optimalen Bereich mit stabiler Verbrennung arbeitet und die Temperatur, die für eine schadstoffarme Verbrennung von Holz notwendig ist, schnell erreicht sowie beim Abschalten wenig Restwärme an die Umgebung als unerwünschte Verlustwärme abgegeben wird. Die Beseitigung der schweren Speichermassen im Verbrennungsbereich des erfindungsgemäßen Heizkessels sichert einen höheren Wirkungsgrad gegenüber den bekannten Heizkesseln.
Um die Primär- und Sekundärluft zuverlässig, zusetzungsfrei und direkt an die erforderlichen Bereiche zu bringen, werden als. feuerfeste Primär- und Sekundärluftschächte Hohlkörper aus dünnwandigem Material eingesetzt, die neben der eigentlichen Luftzuführung zusätzlich die Eintrittsöffnungen für die jeweilige Verbrennungsluft beinhalten, und die den unteren Brennraum durch ihre zweckmäßige Form bilden beziehungsweise begrenzen.
Die Zuführung der Primärluft durch kleinflächige Eintrittsöffnungen dient der gleichmäßigen Verteilung der Luft, erzeugt eine homogene Verbrennung und wirkt somit der unerwünschten Konvektion innerhalb des Füllschachtes entgegen. Die Verbrennung konzentriert sich unmittelbar auf den unteren Bereich des Füllschachtes. Unabhängig von den Strömungsverhältnissen im Brennraum werden alle Eintrittsöffnungen der Primärluft durch ihre Kleinflächigkeit gleichmäßig durchströmt, da hier der Hauptdruckabfall stattfindet.
Um der thermischen Trägheit entgegenzuwirken, sind dünnwandige Materialien für den gesamten Holzvergaser-Heizkessel eingesetzt. Besonders der Füllschacht wird durch eine erfindungsgemäße leichte Auskleidung vollflächig gegenüber den wassergefüllten Füllschachtwänden isoliert.
Weiterhin verbleibt erfindungsgemäß die während der Vergasung des Scheitholzes im unteren Füllschachtbereich gebildete und danach mittels vollständiger Unterbrechung der Primärluftzufuhr konservierte Holzkohle im Füllschacht und findet bei der Wiederanfeuerung des Holzvergaser-Heizkessels dort Anwendung. Dies gestattet erstmalig ein Wiederanfeuern des Holzvergaser-Heizkessels, bei dem die Arbeitstemperatur schnell und schadstoffarm erreicht wird. Dadurch wird die Bedienbarkeit und Zündsicherheit des Holzvergaser-Heizkessels beim Anfeuern wesentlich verbessert und somit die Bedienungsfreundlichkeit des Holzvergaser-Heizkessels erhöht.
Erfindungsgemäß wird mittels eines in der Kesselwand eingesetzten Rohres der Heizungsrücklauf des wassergekühlten Holzvergaser-Heizkessels direkt an die bevorzugt zu kühlenden Flächen des Heizkessels geführt.
Nachstehend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel mit einer Zeichnung näher erläutert werden.
In der Zeichnung stellen dar
Fig. 1
Vorderansicht des Holzvergaser-Heizkessels im Schnitt
Fig. 2
Vorderansicht des Holzvergaser-Heizkessels mit breitem Füllschacht im Schnitt
Der erfindungsgemäße Holzvergaser-Heizkessel nach Fig. 1 und 2 ist aus Edelstahl mit geringen Blechdicken gefertigt und mit einer 60 - 100 mm starken Dämmschicht unter der Verkleidung gegen Wärmeverluste nach außen hin abgegrenzt. Er besitzt einen doppelwandigen Aufbau und ist im offenen System wassergekühlt.
Gemäß Fig. 1 besitzt der Holzvergaser-Heizkessel den rechteckigen Füllschacht 1, der über die Fülltür 2 beschickt wird. An der untere Füllschachtbegrenzung ist der Flammen- und Ascheabzug 3 mit rechteckigem Querschnitt angeordnet, durch den die Flamme aus der Verbrennungszone des Füllschachtes 1 unter Zumischung der Sekundärluft senkrecht nach unten in die Wirbelkammer 4 geleitet wird. Die Verbrennungsgase strömen dann durch die Nachbrennkammer 5 über in Fig. 1 nicht dargestellten Wärmetauscher und Abgasrohr in den Schornstein.
Die Verbrennung des Scheitholzes, dessen Scheitlänge bis 0,5 m betragen kann, wird durch eine stufenlose elektronische Regelung nach der Abgastemperatur so beeinflußt, daß mittels der durch die von der Stellgröße Abgastemperatur durch einen Stellmotor angesteuerte Primärluftklappe 6 sich der Querschnitt der Primärluftzuführung vor dem feuerfesten Primärluftschacht 7 stufenlos zwischen voll geschlossen und voll auf verändert.
Die optimale Verbrennung des Scheitholzes ist von der Einhaltung eines bestimmten Verhältnisses von geregelter Primärluft und konstanter Sekundärluft abhängig.
Die Primärluft wird über den feuerfesten Primärluftschacht 7, der im unteren Bereich des Füllschachtes 1 gleichzeitig die Funktion der feuerfesten Auskleidung 8 übernimmt, in die Verbrennungszone des Füllschachtes 1 geleitet. Der feuerfeste Primärluftschacht 7 ist unmittelbar mit der als Dosiervorrichtung wirkenden Primärluftklappe 6 verbunden. Die beiden konvex gestalteten inneren Begrenzungen des feuerfesten Primärluftschachtes 7 sind Träger der kleinflächigen Eintrittsöffnungen 9 für die Primärluft, die durch diese Anordnung im geringen Abstand zum Flammen- und Ascheabzug 3 positioniert sind. Dadurch wird der Verbren- nungsvorgang stabilisiert. Das Abreißen der Flamme wird verhindert. Dadurch ist erreicht, daß auch bei geringer Leistung des Heizkessels eine hohe Flammentemperatur gewährleistet ist.
Die Sekundärluft strömt durch den feuerfesten Sekundärluftschacht 10 direkt oberhalb oder vorzugsweise unterhalb des Flammen- und Ascheabzugs 2 ein und vermischt sich dort mit den aus der Verbrennungszone des Füllschachtes 1 kommenden Flammengasen, um als Gasgemisch in die Wirbelkammer 4 einzu strömen.
Der Füllschacht 1 ist mit der feuerfesten Auskleidung 8 aus dünnem Edelstahlblech erfindungsgemäß solcherart versehen, daß mindestens alle senkrechten, wasserführenden Füllschachtwände vollflächig überdeckt sind. Durch die U-Profil-förmigen Abstandshalter 11 zwischen den Wänden des Füllschachtes 1 und der feuerfesten Auskleidung 8 entsteht der Zwischenraum 12, der entweder durch die Luftschicht oder durch eingebrachte Dämmung den Füllschacht 1 vollflächig gegenüber den kälteren, wassergekühlten Wänden des Füllschachtes 1 isoliert. Die feuerfeste Auskleidung 8 erreicht im Verlaufe des Abbrandes einer Holzscheitfüllung vollflächig solche Temperaturen, daß doch noch auftretende Teerablagerungen wieder frei brennen und die Gefahr der Brückenbildung innerhalb der Holzscheitfüllung durch schlechtes Nachrutschen gebannt ist.
Im unteren Bereich des Füllschachtes 1 sind in der Auskleidung 8 zur Zuführung der Primärluft der feuerfeste Primärluftschacht 7 und zur Zuführung der Sekundärluft der feuerfeste Sekundärluftschacht 10 in Form von Hohlkörper aus dünnwandigem Edelstahlblech angeordnet. Der feuerfeste Primärluftschacht 7 besitzt die Eintrittsöffnungen 9 für die Primärluft in den Füllschacht 1 und der Sekundärluftschacht 10 die Eintrittsöffnungen 13 für die Sekundärluft in den Flammen- und Ascheabzug 3. Die Form der beiden Primärluftschächte 7 ist rund, konvex oder vieleckig gewölbt wählbar. Die Eintrittsöffnungen für die Primärluft 9 und und die Eintrittsöffnungen für die Sekundärluft 13 sind in genügend geneigten Bereichen der jeweiligen feuerfester Luftschächte 7 und 10 so eingefügt, daß sie von Asche zusetzungsfrei positioniert sind. Die Luftschächte 7 und 10 bilden in ihrer Gestaltung die begrenzende Form des unteren Brennraumbereiches. Unter diesem Bereich befindet sich die Wirbelkammer 4.
Durch die leichte und wärmedämmende Bauart besitzt die feuerfeste Auskleidung 8 ein äußerst geringes Wärmespeichervermögen. Diese ist die Grundvoraussetzung für ein schnelles Erreichen der optimalen Arbeitstemperatur. Durch die Wärmedämmung wird eine dauerhafte Ablagerung von Teer im Füllschacht 1 verhindert und außerdem die Bildung von Holzkohle unterstützt. Die Verwendung der feuerfesten Auskleidung 8 aus profiliertem Edelstahlblech ergibt eine längere Haltbarkeit und eine Gewichtseinsparung gegenüber herkömmlich ausgekleideten oder gar nicht ausgekleideten Heizkesseln. Spannungen durch Dauertemperaturwechsel und mechanische Belastungen werden gut kompensiert. Die durch die feuerfeste Auskleidung 8 geschützte Wand des Füllschachtes 1 erreicht eine längere Lebensdauer.
Die Konservierung der Holzkohle im Füllschacht 1 des Holzvergaser-Heizkessels ist erfindungsgemäß nach luftdichter Abschaltung der Primärluftzufuhr mittels Primärluftklappe 6 realisierbar.
Geht der Holzsvorrat im Füllschacht 1 zu Ende, sinkt die Abgastemperatur trotz Gegenregelung der Primärluftklappe 6 mit Zustand voll auf unter eine gewisse Regeltemperatur, die dazu führt, daß die Primärluftklappe 6 durch den elektronisch angesteuerten Stellmotor luftdicht geschlossen wird. Die im unteren Bereich des Füllschachtes 1 verbliebene, voll entgaste Holzkohle wird dort konserviert und gewährleistet erfindungsgemäß ein bedienungsfreundliches, sicheres, schnelles und sauberes Anfeuern der nächsten Holzfüllung. Bei dieser Wiederanfeuerung des Heizkessels ist die Arbeitstemperatur dann bei geringsten Schadstoffemissionen in wenigen Minuten erreichbar. Chemische Verluste und Kesselverschmutzungen sind dadurch vermeidbar. Bei schon voll beschicktem Füllschacht 1 sind zum Anfeuern somit weder Papier oder Späne, noch ist ein späteres Nachlegen von größeren Holzscheiten nötig. Nach dem Schließen der Fülltür 2 erreicht der Holzvergaser-Heizkessel nach Entzünden der Holzkohle durch die Zündöffnung 14 eigengeregelt seine Arbeitstemperatur und brennt die Holzscheitfüllung bis zur nächsten Holzkohlekonservierung ab.
Um Überhitzungen bzw. Dampfbildungen im Kühlkreislauf an kritischen Stellen des Heizkessels zu vermeiden, leitet das Stahlrohr 15, welches direkt unter der Nachbrennkammer 5 angeordnet ist, den Heizungsrücklauf an die heiße Zone des Holzvergaser-Heizkessels.
Der erfindungsgemäße Holzvergaser-Heizkessel erreicht eine große Gleichmäßigkeit im Betrieb, wobei mindestens 90% der Betriebszeit im Bereich des optimalen feuerungstechnischen Wirkungsgrades liegt. Nur die restliche Betriebszeit entfällt auf das Anheizen, Abschalten, Hohlbrenner und Störfälle.

Claims (5)

  1. Holzvergaser-Heizkessel zur Erzeugung von Nutzwärme aus Scheitholz, dadurch gekennzeichet, daß im unteren Füllschachtbereich des Kessels als geschlossene Hohlkörper ausgebildete Kanäle für die Primärluft angeordnet sind und diese Kanäle in der zum Brennraum zugewandten, vorzugsweise konvex gewölbten oder mehreckig geformten Seitenwand kleinflächige Eintrittsöffnungen für die Primärluft besitzen, welche sich in geringem Abstand zum Flammen- und Ascheabzug befinden, und die Außenhaut der beiden geformten Seitenwände des Primärluftkanals die Begrenzung des Brennraumes bilden.
  2. Holzvergaser-Heizkessel zur Erzeugung von Nutzwärme aus Scheitholz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichet, daß im Inneren des Heizkessels eine feuerfeste und dünnwandige Auskleidung, die vorzugsweise aus einem Bauteil besteht und die mindestens alle senkrechten Füllschachtwände vollflächig isoliert, angeordnet ist und daß zwischen den Füllschachtwänden und der dünnwandigen Auskleidung des Heizkessels ein Zwischenraum mittels geeigneten Abstandshaltern ausgebildet ist, der mit Luft und / oder hitzebeständigem Dämmstoff ausgefüllt ist.
  3. Holzvergaser-Heizkessel zur Erzeugung von Nutzwärme aus Scheitholz nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichet, daß durch ein in der Kesselwand eingesetztes Stahlrohr im Heizungsrücklauf des wassergekühlten Heizkessels direkt an die bevorzugt zu kühlenden Flächen des Heizkessels geführt ist.
  4. Holzvergaser-Heizkessel zur Erzeugung von Nutzwärme aus Scheitholz nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichet, daß bei großen Breiten des Füllschachtes der Heizkessel mindestens zwei Flammen- und Ascheabzüge an den beiden Längsseiten des Füllschachtes über einen Großteil der Füllschachtlänge besitzt.
  5. Holzvergaser-Heizkessel zur Erzeugung von Nutzwärme aus Scheitholz nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichet, daß die während der Vergasung des Holzes im unteren Füllschachtbereich gebildete und danach mittels vollständiger Unterbrechung der Primärluftzufuhr konservierte Holzkohle im Füllschacht des Heizkessels verbleibt und bei der Wiederanfeuerung dort Anwendung findet.
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