EP4056900B1 - Biomasse-heizanlage mit einer verbesserten reinigungseinrichtung - Google Patents

Biomasse-heizanlage mit einer verbesserten reinigungseinrichtung Download PDF

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EP4056900B1 EP21161524.0A EP21161524A EP4056900B1 EP 4056900 B1 EP4056900 B1 EP 4056900B1 EP 21161524 A EP21161524 A EP 21161524A EP 4056900 B1 EP4056900 B1 EP 4056900B1
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    • F28D2021/0024—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for combustion apparatus, e.g. for boilers

Definitions

  • the invention relates to a biomass heating system and its components.
  • the invention relates to a biomass heating system with an improved cleaning device.
  • Biomass heating systems in particular biomass boilers, in a power range from 20 to 500 kW are known.
  • Biomass can be considered a cheap, domestic, crisis-proof and environmentally friendly fuel.
  • wood chips or pellets as combustible biomass or biogenic solid fuels.
  • the pellets usually consist of wood shavings, sawdust, biomass or other material that has been compacted into small discs or cylinders approximately 3 to 15 mm in diameter and 5 to 30 mm long.
  • Wood chips also known as wood chips, woodchips or woodchips
  • wood chips are wood that has been crushed with cutting tools.
  • Biomass heating systems for fuels in the form of pellets and wood chips essentially have a boiler with a combustion chamber (the combustion chamber) and a heat exchange device connected to it. Due to the stricter legal regulations in many countries, some biomass heating systems also have a fine dust filter. Other various accessories are regularly available, such as fuel delivery devices, control devices, probes, safety thermostats, pressure switches, exhaust gas recirculation, boiler cleaning and a separate fuel container.
  • a device for supplying fuel, a device for supplying air and an ignition device for the fuel are regularly provided in the combustion chamber.
  • the means for supplying the air normally comprises a low-pressure fan in order to favorably influence the thermodynamic factors of combustion in the combustion chamber.
  • a device for supplying fuel can be provided, for example, with a lateral insert (so-called transverse insert firing). The fuel is pushed into the combustion chamber from the side via a screw or a piston.
  • a furnace grate In the combustion chamber of a fixed-bed furnace, a furnace grate is also usually provided, on which the fuel is essentially supplied and burned continuously.
  • This grate stores the fuel for combustion and has openings, for example slots, which allow the passage of part of the combustion air as primary air to the fuel.
  • the grate can be rigid or movable.
  • the grate When the primary air flows through the grate, the grate is also cooled, which protects the material. In addition, if there is insufficient air supply, slag can form on the grate, whereby the slag can also be detached (e.g. when cleaning the grate) and carried further into the rest of the biomass heating system.
  • furnaces that are to be charged with different fuels with which the present disclosure is particularly concerned, have the inherent problem that the different fuels have different ash melting points, water contents and different combustion behavior and thus variable combustion residues. It is therefore problematic to provide a heating system that is equally well suited for different fuels. Good suitability for different fuels requires regular and efficient cleaning of the biomass heating system.
  • the combustion chamber can also be regularly divided into a primary combustion zone (immediate combustion of the fuel on the grate and in the gas space above it before additional combustion air is supplied) and a secondary combustion zone (post-combustion zone of the flue gas after additional air supply). Drying, pyrolytic decomposition, gasification of the fuel and charcoal combustion take place in the combustion chamber. In order to completely burn the resulting combustible gases, additional combustion air is introduced in one or more stages (secondary air or tertiary air) at the start of the secondary combustion zone.
  • the combustion of the pellets or wood chips essentially has two phases.
  • the fuel is at least partially pyrolytically decomposed and converted into gas by high temperatures and air that can be blown into the combustion chamber.
  • the (partial) part that has been converted into gas is burned, as well as the burning of any remaining solids (e.g. charcoal).
  • the fuel outgasses, and the resulting gas and the charcoal contained therein are also burned.
  • Pyrolysis is the thermal decomposition of a solid substance in the absence of oxygen. Pyrolysis can be divided into primary and secondary pyrolysis.
  • the products of primary pyrolysis are pyrolysis coke and pyrolysis gases, the pyrolysis gases being divided into room temperature condensable and non-condensable gases.
  • the primary pyrolysis takes place at roughly 250-450°C and the secondary pyrolysis at around 450-600°C.
  • the secondary pyrolysis that subsequently occurs is based on the further reaction of the pyrolysis products that were primarily formed.
  • the drying and pyrolysis take place at least largely without the use of air, since volatile CH compounds escape from the particle and therefore no air can reach the particle surface.
  • Gasification can be seen as part of oxidation; the solid, liquid and gaseous products formed during the pyrolytic decomposition are reacted by further exposure to heat. This is done with the addition of a gassing agent such as air, oxygen, water vapor or carbon dioxide.
  • a gassing agent such as air, oxygen, water vapor or carbon dioxide.
  • the lambda value during gasification is greater than zero and less than one. Gasification takes place at around 300 to 850°C or even up to 1,200°C.
  • the complete oxidation with excess air (lambda greater than 1) takes place by adding more air to these processes.
  • the end products of the reaction are essentially carbon dioxide, water vapor and ash. In all phases, the boundaries are not rigid, but fluid.
  • the combustion process can be advantageously regulated by means of a lambda probe provided at the exhaust gas outlet of the boiler.
  • the combustion of biomass produces gaseous or airborne combustion products, the main components of which are carbon, hydrogen and oxygen. These can be divided into emissions from complete oxidation, from incomplete oxidation and substances from trace elements or impurities.
  • the emissions from complete oxidation are essentially carbon dioxide (CO 2 ) and water vapor (H 2 O).
  • the formation of carbon dioxide from the carbon in the biomass is the goal of combustion, as the released energy can be used more fully.
  • the release of carbon dioxide (CO 2 ) is largely proportional to the carbon content of the fuel burned; thus the carbon dioxide is also dependent on the useful energy to be provided. A reduction can essentially only be achieved by improving the efficiency.
  • the boiler further usually has a radiant part, which is integrated into the combustion chamber, and a convection part (the heat exchanger connected thereto).
  • the exhaust gas from the combustion in the combustion chamber is fed to the heat exchanger so that the hot combustion gases flow through the heat exchanger in order to To transfer heat to a heat exchange medium, which is typically water at about 80°C (usually between 70°C and 110°C). During this cooling process in particular, combustion residues can get stuck in the pipes of the heat exchanger and also adhere very firmly.
  • a heat exchange medium typically water at about 80°C (usually between 70°C and 110°C).
  • combustion residues can stick to the walls or other parts of the boiler, depending on the temperature condition or also, for example, in the event of condensation and also in an (optional) electrostatic precipitator.
  • a particular problem is that the adhesion of the combustion residues can be very strong or permanent, which means that cleaning the boiler (especially when cleaning it by hand) is quite difficult.
  • Practice shows that the combustion residues can stick or cake, especially in the heat exchanger and in the (optional) electrostatic precipitator, which makes cleaning them even more difficult.
  • furnaces that are to be charged with different fuels have the inherent problem that the different fuels have different ash melting points, water contents and different combustion behavior.
  • heating systems with fuel-flexible charging have the problem of very variable - in practice hardly predictable - formation of combustion residues with different chemical and physical properties.
  • cleaning of the biomass heating system must also be able to cope with these different combustion residues.
  • the other problems with conventional biomass heating systems are that the gaseous or solid emissions are too high, that the efficiency is too low and that the dust emissions are too high.
  • Another problem is the varying quality of the fuel, due to the varying water content and the lumpiness of the fuel, which makes it difficult to burn the fuel evenly with low emissions.
  • biomass heating systems which are intended to be suitable for different types of biological or biogenic fuel
  • the varying quality and consistency of the fuel makes it difficult to maintain consistently high efficiency of the biomass heating system. There is a need for optimization in this regard.
  • a disadvantage of traditional pellet biomass heating systems can be that pellets falling into the combustion chamber can roll off the grid or grate, slide off, or land next to the grate and end up in an area of the combustion chamber where the temperature is lower or where the air supply is poor, or they can even fall into the bottom chamber of the boiler or the ash chute. Pellets that are not left on the grid or grate burn incompletely, causing poor efficiency, excessive ash and a certain amount of unburned pollutant particles, which in turn pollute the biomass heating system. This applies to pellets as well as wood chips.
  • the state of the art DE 10 94 912 B discloses a device for cleaning the flue gas side of the flue pipes of stationary heating boilers, in which helical guide elements that can be raised and lowered are arranged in the flue pipes, characterized in that the drive device for the reciprocating movement of the helical guide elements 2 is designed in such a way that in each case at the end of the reciprocating movements jerky impacts on these guide elements and possibly triggered simultaneously on the tubes 1.
  • U.S. 2,233,066 A discloses in claim 1 the following: In a heat exchanger, a plurality of elements, the passages for with define contaminant-laden gas, means for removing accumulated deposits from the elements, which include flexible chains disposed in the passageways, rods from which a plurality of the chains are each suspended, and a shaft having rocker arms supporting the rods, the arrangement being such that as the arms are tilted the chains are moved up and down and side to side to contact the elements with a sweeping motion to clear any accumulated debris.
  • the EP 1 830 130 A2 As further prior art relating to a cleaning device for a boiler is the EP 1 830 130 A2 known.
  • This discloses a heating boiler with a flue gas flap for essentially smoke-free opening of a filling door of a filling space.
  • a safety device which, when the filling door is open or closed and the flue gas flap is open and locked, generates a signal and possibly displays it or releases the locking of the open flue gas flap when the filling door is closed or while the filling door is being closed.
  • the safety device is in particular a spring-loaded rocker arm, which serves as a sensor for an open or closed filling door and as a switching element for actuating an actuating lever for the flue gas flap.
  • the actuating lever can optionally also actuate a heat exchanger cleaning device at the same time, which is coupled to the flue gas damper.
  • This cleaning device has the disadvantages that it has to be operated manually and that the movement of the heat exchanger cleaning device by operating the operating lever results in an inefficient mechanical cleaning process which has problems in removing the combustion residues from the heat exchanger.
  • Biomass heating systems for pellets or wood chips with cleaning devices of the prior art have the following further disadvantages and problems.
  • the volume of the cleaning process is often quite considerable, which is undesirable, for example, in the case of biomass heating systems for residential buildings.
  • the cleaning is inefficient and requires the cleaning process to be carried out frequently and/or over a longer period of time in order to achieve an adequate cleaning effect.
  • the cleaning is incomplete. Combustion residues remain in the biomass heating system. This applies in particular to the gas-carrying parts of the system, which are not directly touched or caught by the mechanical cleaning.
  • the cleaning devices are mechanically complex. For example, these require a number of different drives and mechanisms provided separately from one another for cleaning the different parts of the system. For example, electrostatic precipitators and heat exchangers are usually cleaned using different mechanisms.
  • the task mentioned above or the potential individual problems can also relate to individual partial aspects of the overall system, for example to the combustion chamber, the heat exchanger or the electrical filter device.
  • a biomass heating system for firing fuel in the form of pellets and/or wood chips having the following: a boiler with a burner, a heat exchanger with a plurality of boiler tubes, a cleaning device, which has the following: a drive unit for driving the cleaning device, a crank element which is coupled to the drive unit via a freewheel, the drive unit rotating the crank element in one direction can drive, a pushing member which is reciprocably provided and which is coupled to the crank member; at least one cleaning shaft operatively coupled to the thrust member, at least one cleaning element disposed operatively connected to the cleaning shaft; wherein the cleaning device is set up in such a way that when the crank element rotates in the direction of rotation, the thrust member is displaced in a thrust direction by the drive unit; and after a predetermined crank rotational position of the crank element has been exceeded, the thrust member is displaced in an impulse direction which is opposite to the thrust direction.
  • a biomass heating system is provided, with the cleaning device (9) being set up in such a way that the movement of the thrust member in the direction of the impulse is not effected by the drive unit.
  • a biomass heating system is provided, with the cleaning device (9) being set up in such a way that the movement of the thrust member in the direction of the impulse is caused by a torque of the cleaning shaft.
  • a biomass heating system wherein the at least one cleaning element is raised by the rotation of the crank element until the predetermined crank rotary position is reached, and the at least one cleaning element is accelerated after the predetermined crank rotary position has been exceeded due to the weight of the at least one cleaning element o or falls suddenly.
  • a biomass heating system is provided, with the cleaning device being set up in such a way that the movement of the pushing member in the pushing direction takes place at least approximately uniformly.
  • a biomass heating system is provided, with the cleaning device being set up in such a way that the movement of the thrust member is accelerated in the pulse direction.
  • Biomass heating system according to one of the preceding claims, wherein the thrust member has an opening for a crank extension of the crank element.
  • a biomass heating system wherein the thrust member has at least one elongate guide hole for receiving at least one guide pin for movably guiding the thrust member.
  • a biomass heating system wherein the thrust member is arranged to be movable back and forth in a straight line.
  • a biomass heating system wherein the at least one cleaning shaft has a lever with a lever pin on an end of the lever that is distal in relation to the cleaning shaft; and the thrust member has at least one elongated fulcrum pin hole for movably receiving the fulcrum pin.
  • a biomass heating system wherein the at least one cleaning element is at least one turbulator, preferably a spiral turbulator and/or a belt turbulator, which is/are provided in at least one boiler tube of the heat exchanger.
  • a biomass heating system is provided, the cleaning device being set up in such a way that the freewheel transmits the torque of the motor in the direction of rotation of the crank element; and the freewheel releases further rotation of the crank element in the direction of rotation when the predetermined crank rotational position of the crank element is exceeded.
  • a biomass heating system is provided, with the thrust member having a stop as an end stop for the movement in the pulse direction.
  • a biomass heating system is provided, with an opening in the thrust member being provided for receiving a roller of the crank extension.
  • the opening can have a diameter in one direction of the opening which corresponds approximately to the crank radius plus the radius of the roller (or the crank extension); and it can open in a different direction that perpendicular to the one direction, have a diameter less than about the crank radius plus the radius of the pulley (or crank extension).
  • a biomass heating system is provided, with the opening of the thrust member having a step that is exceeded by the roller when the predetermined crank rotational position is reached.
  • a biomass heating system comprising: a damping element, preferably a spring, which is arranged such that the damping element dampens the movement of the thrust member in the direction of thrust.
  • a biomass heating system wherein: a contraction and expansion direction of the damping element is provided at least approximately parallel to the direction of the back and forth movement of the damping element.
  • a biomass heating system is provided, with the thrust member being provided in the form of a plate and/or with one end of the at least one cleaning shaft serving as a guide pin for receiving in an elongate guide hole.
  • a biomass heating system comprising: an electrostatic filter device with a spray electrode and a cleaning cage as a counter-electrode, the cleaning element being an impact lever; and wherein the impact lever is operatively connected to the cleaning shaft and is arranged in such a way that the impact lever strikes the discharge electrode for cleaning when the cleaning shaft rotates abruptly.
  • a biomass heating system is provided, with a sensor, for example an inductive position switch, being provided for detecting the position or the end position of the thrust member.
  • a biomass heating system is provided, with an ash discharge screw of the biomass heating system also being driven by the drive unit.
  • biomass heating system can be further improved in synergy with the optimized cleaning device.
  • a biomass heating system for firing fuel in the form of pellets and/or wood chips comprising the following: a boiler with a burner, a heat exchanger with a plurality of boiler tubes, the burner comprising: a combustion chamber having a rotary grate, having a primary combustion zone and having a secondary combustion zone; the primary combustion zone being encompassed by a plurality of combustion chamber bricks laterally and by the rotary grate from below; a plurality of secondary air nozzles being provided in the combustor bricks; the primary combustion zone and the secondary combustion zone being separated at the level of the secondary air nozzles; wherein the secondary combustion zone of the combustor is fluidly connected to an inlet of the heat exchanger.
  • a biomass heating system is provided, with the secondary air nozzles being arranged in such a way that in the secondary combustion zone of the combustion chamber, turbulent flows of a flue gas-air Mixture of secondary air and combustion air arise around a vertical central axis, with the eddy currents leading to an improvement in the mixing of the flue gas-air mixture.
  • a biomass heating system is provided, with the secondary air nozzles in the combustion chamber bricks each being designed as a cylindrical or truncated cone-shaped opening in the combustion chamber bricks with a circular or elliptical cross section, the smallest diameter of the respective opening being smaller than its maximum length.
  • a biomass heating system is provided, the combustion device with the combustion chamber being set up in such a way that the turbulent flows form spiral-shaped rotational flows after exiting the combustion chamber nozzle, which reach up to a combustion chamber ceiling of the combustion chamber.
  • a biomass heating system is provided, with the secondary air nozzles being arranged at least approximately at the same height in the combustion chamber; and the secondary air nozzles are arranged with their central axis and/or (depending on the type of nozzle) aligned in such a way that the secondary air is introduced acentrically to a center of symmetry of the combustion chamber.
  • a biomass heating system is provided, with the number of secondary air nozzles being between 8 and 14; and/or the secondary air nozzles have a minimum length of at least 50 mm with an inner diameter of 20 to 35 mm.
  • a biomass heating system is provided the combustion chamber in the secondary combustion zone has a combustion chamber slope which reduces the cross section of the secondary combustion zone in the direction of the inlet of the heat exchanger.
  • a biomass heating system wherein the combustion chamber in the secondary combustion zone has a combustion chamber cover which is provided inclined upwards in the direction of the inlet of the heat exchanger and which reduces the cross section of the combustion chamber in the direction of the inlet.
  • a biomass heating system is provided, with the combustion chamber slope and the inclined combustion chamber ceiling forming a funnel, the smaller end of which opens into the inlet of the heat exchanger.
  • a biomass heating system is provided, with the primary combustion zone and at least part of the secondary combustion zone having an oval horizontal cross section; and/or the secondary air nozzles are arranged in such a way that they introduce the secondary air tangentially into the combustion chamber.
  • a biomass heating system is provided, with the average flow speed of the secondary air in the secondary air nozzles being at least 8 m/s, preferably at least 10 m/s.
  • a biomass heating system with the combustion chamber bricks having a modular structure; and any two semi-circular combustor bricks form a closed ring to form the primary combustion zone and/or part of the secondary combustion zone; and at least two rings of bricks are stacked one on top of the other.
  • a biomass heating system with the heat exchanger having spiral turbulators arranged in the boiler tubes, which extend over the entire length of the boiler tubes; and the heat exchanger includes strip turbulators located in the boiler tubes and extending at least half the length of the boiler tubes.
  • a biomass heating system for firing fuel in the form of pellets and/or wood chips which has the following: a boiler with a combustion device, a heat exchanger with a plurality of boiler tubes, preferably arranged in a bundle-like manner, the combustor comprising: a combustor having a rotary grate and having a primary combustion zone and a secondary combustion zone, preferably provided above the primary combustion zone; the primary combustion zone being encompassed by a plurality of combustion chamber bricks laterally and by the rotary grate from below; wherein secondary combustion zone includes a combustor nozzle or burn-through hole; wherein the secondary combustion zone of the combustor is fluidly connected to an inlet of the heat exchanger; wherein the primary combustion zone has an oval horizontal cross-section.
  • boiler tubes arranged in a bundle-like manner there can be a plurality of boiler tubes which are arranged parallel to one another and have at least largely the same length.
  • the inlet openings and the outlet openings of all boiler tubes can each be arranged in a common plane; i.e. i.e. the inlet openings and the outlet openings of all boiler tubes are at the same level.
  • horizontal can denote a level orientation of an axis or a cross section, assuming that the boiler is also set up horizontally, with which, for example, the ground level can be the reference.
  • horizontal as used herein means “parallel” to the base plane of vessel 11 as commonly defined. Further alternatively, in particular if there is no reference plane, “horizontal” can be understood merely as “parallel” to the combustion plane of the grate.
  • the primary combustion zone can have an oval cross-section.
  • the oval horizontal cross-section has no dead corners, and thus has improved air flow and the possibility of largely unhindered vortex flow up. Consequently, the biomass heating system has improved efficiency and lower emissions.
  • the oval cross-section is well adapted to the type of fuel distribution when it is fed in from the side and the resulting geometry of the fuel bed on the grate.
  • An ideally "round" cross section is also possible, but not so well adapted to the geometry of the fuel distribution and also to the flow technology of the turbulent flow, with the asymmetry of the oval compared to the "ideally" circular cross-sectional shape of the combustion chamber improving the formation of a turbulent flow in the combustion chamber allows.
  • a biomass heating system is provided, with the horizontal cross-section of the primary combustion zone being provided at least approximately the same over a height of at least 100 mm. This also serves to ensure the unhindered development of the flow profiles in the combustion chamber.
  • a biomass heating system is provided, with the combustion chamber in the secondary combustion zone having a combustion chamber slope which narrows the cross section of the secondary combustion zone in the direction of the inlet or inlet of the heat exchanger.
  • a biomass heating system having a first rotary grate element, a second rotary grate element and a third rotary grate element, each of which rotates about a horizontally arranged bearing axis by at least 90 degrees, preferably at least 160 degrees, even more preferably by at least 170 degrees , are rotatably arranged; wherein the rotary grate elements form a combustion surface for the fuel; wherein the rotary grate elements have openings for the air for combustion, wherein the first rotary grate element and the third rotary grate element are identical in their combustion surface.
  • the openings in the rotary grate elements are preferably designed in the form of slots and in a regular pattern in order to ensure a uniform flow of air through the fuel bed.
  • a biomass heating system is provided, with the second rotary grate element being arranged in a form-fitting manner between the first rotary grate element and the third rotary grate element and having grate lips which are arranged in such a way that, when all three rotary grate elements are in the horizontal position, they at least largely form a seal on the first rotary grate element and the third rotary grate element.
  • a biomass heating system with the rotary grate also having a rotary grate mechanism that is configured in such a way that it can rotate the third rotary grate element independently of the first rotary grate element and the second rotary grate element, and that this rotates the first rotary grate element and the second rotary grate element together but can rotate independently of the third rotary grate element.
  • a biomass heating system is provided, with the combustion surface of the rotary grate elements being configured as an essentially oval or elliptical combustion surface.
  • a biomass heating system wherein the rotary grate elements have mutually complementary and curved sides, the second rotary grate element preferably having concave sides in each case towards the adjacent first and third rotary grate element, and preferably the first and third rotary grate element each towards the second rotary grate element have a convex side.
  • a biomass heating system with the combustion chamber bricks having a modular structure; and every two semi-circular combustor bricks form a closed ring to form the primary combustion zone; and at least two rings of bricks are stacked one on top of the other.
  • a biomass heating system having spiral turbulators arranged in the boiler tubes extend along the entire length of the boiler tubes; and the heat exchanger includes strip turbulators located in the boiler tubes and extending at least half the length of the boiler tubes.
  • the band turbulators can preferably be arranged in or inside the spiral turbulators.
  • the band turbulators can be integrated into the spiral turbulators.
  • the band turbulators can preferably extend over a length of 30 to 70% of the length of the spiral turbulators.
  • a biomass heating system is provided, with the heat exchanger having between 18 and 24 boiler tubes, each with a diameter of 70 to 85 mm and a wall thickness of 3 to 4 mm.
  • a biomass heating system having an integrated electrostatic filter device, which has a spray electrode and a precipitation electrode surrounding the spray electrode and a cage or a cage-like cleaning device; wherein the boiler further comprises a mechanically operable cleaning device with a hammer lever with a stop head; wherein the cleaning device is set up in such a way that it can hit the end of the (spray) electrode with the stop head, so that a shock wave is generated by the electrode and/or a transverse vibration of the (spray) electrode in order to remove impurities from the electrode to clean up.
  • a steel is provided as the material for the electrode, which can be caused to oscillate (longitudinally and/or transversely and/or shock wave) by the stop head.
  • Spring steel and/or chromium steel can be used for this purpose.
  • the material of the spring steel can preferably be an austenitic chromium-nickel steel, for example 1.4310.
  • the spring steel can be cambered.
  • the cage-shaped cleaning device can be further moved back and forth along the wall of the electrostatic filter device for cleaning the collecting electrode.
  • a biomass heating system is provided, with a cleaning device integrated into the boiler in the cold area being provided configured to clean the boiler tubes of the heat exchanger by moving up and down turbulators provided in the boiler tubes.
  • the up and down movement can also be understood as the reciprocating movement of the turbulators in the boiler tubes in the longitudinal direction of the boiler tubes.
  • a biomass heating system with a fire bed height measuring mechanism being arranged in the combustion chamber above the rotary grate; wherein the firebed height measurement mechanism comprises a fuel level flap mounted on a pivot and having a major surface; wherein a surface parallel of the main surface of the fuel level flap is provided at an angle to a central axis of the axis of rotation, the angle preferably being greater than 20 degrees.
  • a combustion chamber slope of a secondary combustion zone of a combustion chamber with the features and properties mentioned herein is disclosed, which is (only) suitable for a biomass heating system.
  • a combustion chamber incline for a secondary combustion zone of a combustion chamber of a biomass heating system with the features and properties mentioned herein is disclosed.
  • a rotary grate for a combustion chamber of a biomass heating system with its features and properties mentioned herein is disclosed.
  • an integrated electrostatic filter device for a biomass heating system with the features and properties mentioned herein is disclosed.
  • a ember bed height measuring mechanism for a biomass heating system with the features and properties mentioned herein is disclosed.
  • a fuel level flap for a biomass heating system with the features and properties mentioned herein is also disclosed.
  • an expression such as “A or B”, “at least one of “A or/and B” or “one or more of A or/and B” can include any possible combination of features listed together.
  • Expressions such as “first “, “secondary”, “primary” or “secondary” used herein represent and do not limit various elements regardless of their order and/or importance.
  • an element e.g., a first element
  • another element e.g., a second element
  • the element may be directly connected to the other element become or are connected to the other element via another element (e.g. a third element).
  • a phrase “configured for” (or “configured for”) as used in the present disclosure may be replaced with “suitable for,” “suitable for,” “adapted for,” “made for,” “capable of,” or “designed for.” depending on what is technically possible.
  • a phrase “device configured to” or “set up to” may mean that the device can operate in conjunction with another device or component, or perform a corresponding function.
  • FIG. 1 shows a three-dimensional overview of the biomass heating system 1 according to an exemplary embodiment of the invention.
  • the arrow V in the figures indicates the front view of the plant 1
  • the arrow S in the figures indicates the side view of the plant 1.
  • the biomass heating system 1 has a boiler 11 which is mounted on a base 12 of the boiler.
  • the boiler 11 has a boiler housing 13, for example made of sheet steel.
  • a combustion device 2 (not shown), which can be reached via a first maintenance opening with a closure 21 .
  • a rotary mechanism mount 22 for a rotary grate 25 (not shown) supports a rotary mechanism 23 with which drive forces can be transmitted to bearing axles 81 of the rotary grate 25 .
  • a heat exchanger 3 (not shown), which can be reached from above via a second maintenance opening with a closure 31 .
  • an optional filter assembly 4 (not shown) having an electrode 44 (not shown) suspended by an insulating electrode support 43 and powered by an electrode supply line 42 .
  • the exhaust gas from the biomass heating system 1 is discharged via an exhaust gas outlet 41 which is arranged downstream of the filter device 4 in terms of flow.
  • a fan can be provided here.
  • a recirculation device 5 is provided downstream of the boiler 11, which recirculates part of the exhaust gas via recirculation channels 51, 53 and 54 and flaps 52 for cooling the combustion process and reuse in the combustion process.
  • the biomass heating system 1 has a fuel supply 6, with which the fuel is conveyed in a controlled manner to the combustion device 2 in the primary combustion zone 26 from the side onto the rotary grate 25.
  • the fuel supply 6 has a cell wheel sluice 61 with a fuel supply opening 65, the cell wheel sluice 61 having a drive motor 66 with control electronics.
  • An axle 62 driven by the drive motor 66 drives a transmission mechanism 63 which can drive a fuel feed screw 67 (not shown) so that the fuel in a fuel feed channel 64 is fed to the combustion device 2 .
  • an ash removal device 7 which has an ash discharge screw 71 in an ash discharge channel which is operated by a drive unit 72 .
  • FIG 2 now shows a cross-sectional view through the biomass heating system 1 of FIG 1 , which was taken along a section line SL1 and which is shown viewed from the side S.
  • the corresponding 3 which has the same cut as 2 represents, for the sake of clarity, the flows of the flue gas, and fluidic cross-sections are shown schematically. to 3 it should be noted that individual areas compared to the 2 are shown grayed out. This is only for clarity 3 and the visibility of the flow arrows S5, S6 and S7.
  • the boiler 11 is mounted on the boiler base 12 and has a multi-walled boiler housing 13 in which water or another fluid heat exchange medium can circulate.
  • a water circulation device 14 with a pump, valves, lines, etc. is provided for the supply and removal of the heat exchange medium.
  • the combustion device 2 has a combustion chamber 24 in which the combustion process of the fuel takes place in the core.
  • the combustion chamber 24 has a multi-part rotary grate 25 on which the fuel bed 28 rests.
  • the multi-part rotary grate 25 is rotatably mounted by means of a plurality of bearing axles 81 .
  • the primary combustion zone 26 of the combustor 24 is encompassed by (a plurality of) combustor brick(s) 29 , whereby the combustor bricks 29 define the geometry of the primary combustion zone 26 .
  • the cross-section of the primary combustion zone 26 (for example) along horizontal section line A1 is substantially oval (for example 380mm +/- 60mm x 320mm +/- 60mm; it should be noted that some of the above size combinations may also result in a circular cross-section).
  • the arrow S1 shows the flow from the secondary air nozzle 291 schematically, this flow (this is shown purely schematically) having a twist induced by the secondary air nozzles 291 in order to improve the mixing of the flue gas.
  • the secondary air nozzles 291 are designed in such a way that they introduce the secondary air (preheated by the combustion chamber bricks 29) tangentially into the combustion chamber 24 with its oval cross section there. This creates a flow S1 with vortices or twists, which runs roughly spirally or helically upwards. In other words, a spiral flow running upwards and rotating about a vertical axis is formed.
  • the combustion chamber bricks 29 form the inner lining of the primary combustion zone 26, store heat and are directly exposed to the fire.
  • the combustion chamber stones 29 thus also protect the other material of the combustion chamber 24 , for example cast iron, from the direct effect of the flames in the combustion chamber 24 .
  • the combustion chamber stones 29 are preferably adapted to the shape of the grate 25 .
  • the combustion chamber bricks 29 also have secondary air or recirculation nozzles 291 on, which recirculate the flue gas in the primary combustion zone 26 for re-participation in the combustion process and in particular for cooling as required.
  • the secondary air nozzles 291 are not aligned with the center of the primary combustion zone 26, but are aligned off-centre in order to cause a swirl in the flow in the primary combustion zone 26 (ie, a swirling and turbulent flow).
  • the combustion chamber bricks 29 will be explained in more detail later.
  • Insulation 311 is provided at the boiler tube entrance.
  • the oval cross-sectional shape of the primary combustion zone 26 (and the nozzle) and the length and position of the secondary air nozzles 291 favor the formation and maintenance of a turbulent flow, preferably up to the ceiling of the combustion chamber 24.
  • a secondary combustion zone 27 adjoins the primary combustion zone 26 of the combustion chamber 26, either at the level of the combustion chamber nozzles 291 (from a functional or combustion-related point of view) or at the level of the combustion chamber nozzle 203 (from a purely structural or constructional point of view) and defines the radiant part of the combustion chamber 26.
  • the flue gas produced during combustion releases its thermal energy mainly through thermal radiation, in particular to the heat exchange medium, which is located in the two left-hand chambers for the heat exchange medium 38 .
  • the corresponding flue gas flows are in 3 indicated purely by way of example by the arrows S2 and S3.
  • These turbulent flows may also contain slight backflows or other turbulences, which are not represented by the purely schematic arrows S2 and S3.
  • the basic principle of the development of the flow in the combustion chamber 24 is clear and can be calculated by a person skilled in the art based on the arrows S2 and S3.
  • the oval combustion chamber geometry 24 in particular contributes to the fact that the turbulent flow can develop undisturbed or optimally.
  • candle-flame-shaped rotary flows S2 appear, which are advantageous can reach up to the combustion chamber ceiling 204, so that the available space in the combustion chamber 24 is better utilized.
  • the turbulent flows are concentrated in the center of the combustion chamber A2 and make ideal use of the volume of the secondary combustion zone 27 .
  • the constriction which represents the combustion chamber nozzle 203 for the turbulent flows, reduces the rotational flows, with which turbulences are generated to improve the mixing of the air/flue gas mixture. Cross-mixing therefore takes place through the constriction or constriction through the combustion chamber nozzle 203 .
  • the rotational momentum of the flows is at least partially maintained above the combustion chamber nozzle 203, which maintains the propagation of these flows up to the combustion chamber ceiling 204.
  • the secondary air nozzles 291 are integrated into the elliptical or oval cross-section of the combustion chamber 24 in such a way that, due to their length and their orientation, they induce turbulent flows which cause the flue gas/secondary air mixture to rotate and thereby (again in combination with the combustion chamber nozzle 203 positioned above improved) enable complete combustion with minimal excess air and thus maximum efficiency.
  • the secondary air supply is designed in such a way that it cools the hot combustion chamber bricks 29 by flowing around them and the secondary air itself is preheated in return, whereby the combustion rate of the flue gases is accelerated and the complete combustion even at extreme partial load (e.g. 30% the nominal load) is ensured.
  • the first maintenance opening 21 is insulated with an insulating material such as Vermiculite TM .
  • the present secondary combustion zone 27 is set up in such a way that burnout of the flue gas is ensured.
  • the special geometric design of the secondary combustion zone 27 will be explained in more detail later.
  • the flue gas flows into the heat exchange device 3, which is a bundle of parallel provided Boiler tubes 32 has.
  • the flue gas now flows downwards in the boiler tubes 32, as in 3 indicated by the arrows S4.
  • This part of the flow can also be referred to as the convection part, since the heat dissipation of the flue gas takes place essentially on the boiler tube walls via forced convection. Due to the temperature gradients in the heat exchanger medium, for example in the water, caused in the boiler 11, natural convection of the water occurs, which promotes thorough mixing of the boiler water.
  • the outlet of the boiler tubes 32 opens into the turning chamber 35 via the turning chamber entry 34 or inlet. If the filter device 4 is not provided, the flue gas is discharged upwards again in the boiler 11 . The other case of the optional filter device 4 is in the 2 and 3 shown. In the process, the flue gas is fed back up into the filter device 4 after the turning chamber 35 (cf. arrows S5), which in the present example is an electrostatic filter device 4. Flow screens can be provided at the inlet 44 of the filter device 4, which even out the inflow of the flue gas into the filter.
  • Electrostatic dust filters also known as electrostatic precipitators, are devices for separating particles from gases that are based on the electrostatic principle. These filter devices are used in particular for the electrical cleaning of exhaust gases.
  • electrostatic precipitators dust particles are electrically charged by a corona discharge of a spray electrode and drawn to the oppositely charged electrode (collecting electrode).
  • the corona discharge takes place on a suitable, charged high-voltage electrode (also known as a discharge electrode) inside the electrostatic precipitator.
  • the electrode is preferably designed with protruding tips and possibly sharp edges, because the density of the field lines and thus also the electric field strength is greatest there and the corona discharge is thus favored.
  • the opposite electrode precipitation electrode usually consists of a grounded exhaust pipe section that is mounted around the electrode.
  • the degree of separation of an electrostatic precipitator depends in particular on the dwell time of the exhaust gases in the filter system and the voltage between the spray and separation electrodes.
  • the rectified high voltage required for this is provided by a high-voltage generating device (not shown).
  • the high-voltage generation system and the holder for the electrode must be protected from dust and dirt in order to avoid unwanted leakage currents and to extend the service life of system 1.
  • a rod-shaped electrode 45 (which is preferably designed like an elongated, plate-shaped steel spring, cf. 11 ) held approximately centrally in an approximately chimney-shaped interior of the filter device 4.
  • the electrode 45 consists at least largely of high-quality spring steel or chromium steel and is held by an electrode holder 43 via a high-voltage insulator, ie an electrode insulation 46 .
  • the (spray) electrode 45 hangs downwards into the interior of the filter device 4 so that it can vibrate.
  • the electrode 45 can, for example, vibrate back and forth transversely to the longitudinal axis of the electrode 45 .
  • a cage 48 simultaneously serves as a counter-electrode and as a cleaning mechanism for the filter device 4.
  • the cage 48 is connected to ground or earth potential. Due to the prevailing potential difference, the exhaust gas flowing in the filter device 4 is filtered, cf. the arrows S6, as explained above. In the case of cleaning of the filter device 4, the electrode 45 is switched off.
  • the cage 48 preferably has an octagonal regular cross-sectional profile, as can be seen, for example, in FIG 9 can be taken.
  • the cage 48 can preferably be laser cut during manufacture.
  • the flue gas flows through the turning chamber 34 into the inlet 44 of the filter device 4.
  • the (optional) filter device 4 is optionally provided fully integrated in the boiler 11, so that the wall surface facing the heat exchanger 3 and flushed through by the heat exchange medium is also used for heat exchange from the direction of the filter device 4, with which the efficiency of the system 1 is further improved. In this way, at least part of the wall of the filter device 4 can be flushed with the heat exchange medium, with the result that at least part of this wall is cooled with boiler water.
  • the cleaned exhaust gas flows out of the filter device 4 at the filter outlet 47, as indicated by the arrows S7. After leaving the filter, part of the exhaust gas is returned to the primary combustion zone 26 via the recirculation device 5 . This will also be explained in more detail later. The remaining part of the exhaust gas is conducted out of the boiler 11 via the exhaust gas outlet 41 .
  • the ash removal device 7 is arranged in the lower part of the boiler 11 .
  • the drive unit 72 which has an optional gear and a freewheel 73 , is provided for driving the ash removal 7 and a cleaning device 9 (see later).
  • a thrust member 74 which will be explained in more detail later, is used with a crank element 77 as a transmission element between the motor and other elements of the cleaning device 9 (cf. also 13 et seq.).
  • the mechanical components of the cleaning device are mounted or held in a frame 76 which is welded to the boiler base 12, for example.
  • the combustor 24 and boiler 11 of this embodiment were calculated using CFD simulations. Furthermore, practical experiments were carried out to confirm the CFD simulations. The starting point for the considerations were calculations for a 100 kW boiler, although a power range from 20 to 500 kW was taken into account.
  • the flow processes can be laminar and/or turbulent, accompanied by chemical reactions, or it can be a multi-phase system.
  • CFD simulations are therefore well suited as a design and optimization tool.
  • CFD simulations were used to optimize the fluidic parameters in such a way that the objects of the invention listed above are achieved.
  • the mechanical design and dimensioning of the boiler 11, the combustion chamber 24, the secondary air nozzles 291 and the combustion chamber nozzle 203 were largely defined by the CFD simulation and also by associated practical experiments.
  • the simulation results are based on a flow simulation taking heat transfer into account.
  • the design of the combustor shape is important in order to be able to meet the task requirements.
  • the shape and geometry of the combustion chamber should ensure the best possible turbulent mixing and homogenization of the flow across the cross-section of the flue gas duct, minimization of the combustion volume and a reduction in excess air and the recirculation ratio (efficiency, operating costs), a reduction in CO and CxHx emissions, NOx emissions, dust emissions, a reduction in local temperature peaks (fouling and slagging) and a reduction in local flue gas velocity peaks (material stress and erosion) can be achieved.
  • the 4 showing a partial view of the 2 is, and the figure 5 , which is a sectional view through the boiler 11 along the vertical section line A2, represent a combustion chamber geometry that meets the above-mentioned requirements for biomass heating systems over a wide power range of, for example, 20 to 500 kW.
  • the vertical section line A2 can also be understood as the middle or central axis of the oval combustion chamber 24 .
  • both the geometries of the primary combustion zone 26 and the secondary combustion zone 27 of the combustion chamber 24 are optimized with these values.
  • the specified size ranges are ranges with which the requirements are (approximately) fulfilled as well as with the specified exact values.
  • a chamber geometry of the primary combustion zone 26 and the combustion chamber 24 can preferably be defined using the following basic parameters: A volume with an oval horizontal base measuring 380 mm +- 60 mm (preferably +-30 mm) x 320 mm +- 60 mm (preferably +-30 mm), and a height of 538 mm +- 80 mm ( preferably +- 50 mm).
  • the size information given above can also be applied to boilers in other output classes (e.g. 50 kW or 200 kW) scaled in relation to one another.
  • the volume defined above can have an upper opening in the form of a combustion chamber nozzle 203, which is provided in the secondary combustion zone 27 of the combustion chamber 24, which has a combustion chamber slope 202 protruding into the secondary combustion zone 27, which preferably contains the heat exchange medium 38.
  • Combustion chamber slope 202 reduces the cross section of secondary combustion zone 27.
  • Combustion chamber slope 202 is inclined by an angle k of at least 5%, preferably by an angle k of at least 15% and even more preferably by at least an angle k of 19% with respect to an imaginary Horizontal or straight combustion chamber ceiling H (cf. the dashed horizontal line H in 4 ) intended.
  • a combustion chamber cover 204 is provided, likewise inclined in the direction of the inlet 33 .
  • the combustion chamber 24 in the secondary combustion zone 27 thus has the combustion chamber ceiling 204 which is provided inclined upwards in the direction of the inlet 33 of the heat exchanger 3 .
  • This combustion chamber ceiling 204 extends in section 2 at least largely straight or rectilinear and inclined.
  • the angle of inclination of the straight or flat combustion chamber ceiling 204 can preferably be 4 to 15 degrees relative to the (fictitious) horizontal.
  • a further (ceiling) slope is provided in the combustion chamber 24 in front of the inlet 33, which forms a funnel together with the combustion chamber slope 202.
  • This funnel turns the swirling or eddy flow directed upwards to the side and deflects this flow more or less horizontally. Due to the already turbulent upward flow and the funnel shape in front of the inlet 33, it is ensured that all heat exchanger tubes 32 or boiler tubes 32 are flown evenly, whereby an evenly distributed flow of the flue gas in all boiler tubes 32 is ensured. This optimizes the heat transfer in the heat exchanger 3 considerably.
  • the combination of the vertical and horizontal inclines 203, 204 in the secondary combustion zone in combination as the inflow geometry in the convective boiler can achieve a uniform distribution of the flue gas over the convective boiler tubes.
  • the combustion chamber slope 202 serves to homogenize the flow S3 in the direction of the heat exchanger 3 and thus the flow through the boiler tubes 32. This causes the flue gas to be distributed as evenly as possible to the individual boiler tubes in order to optimize the heat transfer there.
  • the combination of the inclines with the inflow cross section of the boiler rotates the flue gas flow in such a way that the flue gas flow or the flow rate is distributed as evenly as possible over the respective boiler tubes 32 .
  • the combustion chamber 24 is provided without dead corners or dead edges.
  • the primary combustion zone 26 of the combustion chamber 24 can comprise a volume which preferably has an oval or approximately circular horizontal cross-section on the outer circumference (such a cross-section is shown in 2 marked with A1 as an example).
  • This horizontal cross section can also preferably represent the base area of the primary combustion zone 26 of the combustion chamber 24 .
  • the combustion chamber 24 can have an approximately constant cross section over the height indicated by the double arrow BK4.
  • the primary combustion zone 24 can have an approximately oval-cylindrical volume.
  • the side walls and base (grate) of the primary combustion zone 26 may be perpendicular to one another.
  • the bevels 203, 204 described above can be provided as integrated walls of the combustion chamber 24, with the bevels 203, 204 forming a funnel which opens into the inlet 33 of the heat exchanger 33 and has the smallest cross section there.
  • the horizontal cross section of the combustion chamber 24 and in particular of the primary combustion zone 26 of the combustion chamber 24 can also preferably be regular. Further, the horizontal cross-section of the combustor 24, and particularly the primary combustion zone 26 of the combustor 24, may preferably be a regular (and/or symmetrical) ellipse.
  • the horizontal cross section (the outer circumference) of the primary combustion zone 26 can be made constant over a predetermined height (for example, 20 cm).
  • An oval-cylindrical primary combustion zone 26 of the combustion chamber 24 is thus provided in the present case, which, according to CFD calculations, enables a significantly more uniform and better air distribution in the combustion chamber 24 than in the case of rectangular combustion chambers of the prior art.
  • the lack of dead spaces also avoids zones in the combustion chamber with poor air flow, which increases efficiency and reduces slag formation.
  • the nozzle 203 in the combustion chamber 24 is designed as an oval or approximately circular constriction in order to further optimize the flow conditions.
  • This optimized nozzle 203 bundles the flue gas-air mixture flowing upwards rotating and ensures better mixing, preservation of the eddy currents in the Secondary combustion zone 27 and thus for complete combustion. This also minimizes the excess air required. This improves the combustion process and increases efficiency.
  • the combination of the secondary air nozzles 291 explained above and the eddy currents induced thereby with the optimized nozzle 203 serves in particular to bundle the flue gas/air mixture rotating upwards. This ensures at least approximately complete combustion in the secondary combustion zone 27.
  • a turbulent or swirling flow is bundled through the nozzle 203 and directed upwards, with the result that this flow extends further upwards than is usual in the prior art.
  • this is due to the reduction in the distance of the swirling air flow to the rotation or swirl center axis, which is forced by the nozzle 203 (compare analogously to the physics of the pirouette effect).
  • the combustion chamber slope 202 of 4 which without a reference number in the 2 and 3 can be seen and where the combustion chamber 25 (or its cross-section) tapers at least approximately linearly from bottom to top, according to CFD calculations ensures that the flue gas flow in the direction of the heat exchange device 4 is made more uniform, which means that its efficiency can be improved.
  • the horizontal cross-sectional area of the combustion chamber 25 tapers from the beginning to the end of the combustion chamber slope 202, preferably by at least 5%.
  • the combustion chamber slope 202 is provided on the side of the combustion chamber 25 to the heat exchange device 4 and is provided rounded at the point of maximum narrowing. Parallel or straight combustion chamber walls without a taper (so as not to restrict the flow of flue gas) are common in the state of the art impede).
  • the combustion chamber cover 204 which extends obliquely upwards towards the inlet 33 to the horizontal and diverts the turbulent flows in the secondary combustion zone 27 laterally, thereby equalizing their flow velocity distribution.
  • the inflow or deflection of the flue gas flow in front of the tube bundle heat exchanger is designed in such a way that an uneven flow of the tubes is avoided as far as possible, whereby temperature peaks in individual boiler tubes 32 can be kept low and thus the heat transfer in the heat exchanger 4 can be improved (best possible use of the heat exchanger surfaces). . As a result, the efficiency of the heat exchange device 4 is improved.
  • the gaseous volume flow of the flue gas is conducted through the inclined combustion chamber wall 203 at a uniform speed (even in the case of different combustion states) to the heat exchanger tubes or the boiler tubes 32.
  • This effect is further intensified by the sloping combustion chamber ceiling 204, with a funnel effect being brought about.
  • the result is a uniform heat distribution of the heat exchanger surfaces affecting the individual boiler tubes 32 and thus an improved use of the heat exchanger surfaces.
  • the exhaust gas temperature is thus reduced and the efficiency increased.
  • the flow distribution is particularly at the in the 3 shown indicator line WT1 much more evenly than in the prior art.
  • the line WT1 represents an entry surface for the heat exchanger 3.
  • the indicator line WT3 indicates an exemplary cross-sectional line through the filter device 4, in which the flow is set up as homogeneously as possible or is approximately evenly distributed over the cross-section of the boiler tubes 32 (due to of flow screens at the entrance of the filter device 4 and due to the geometry of the turning chamber 35).
  • a uniform flow through the filter device 3 or the last boiler train minimizes strand formation and thereby also optimizes the separation efficiency of the filter device 4 and the heat transfer in the biomass heating system 1.
  • an ignition device 201 is provided in the lower part of the combustion chamber 25 on the fuel bed 28 . This can cause initial ignition or re-ignition of the fuel.
  • the ignition device 201 can be a glow igniter.
  • the ignition device is advantageously stationary and offset horizontally to the side relative to the location at which the fuel is introduced.
  • a lambda probe (not shown) can (optionally) be provided after the exit of the flue gas (ie, after S7) from the filter device.
  • a controller (not shown) can use the lambda probe to detect the respective calorific value.
  • the lambda probe can thus ensure the ideal mixing ratio between the fuels and the oxygen supply. Despite different fuel qualities, the result is high efficiency and higher efficiency.
  • the fuel bed 28 shown shows a rough fuel distribution due to the feeding of the fuel from the right side of the figure 5 .
  • combustion chamber nozzle 203 is shown in which a secondary combustion zone 27 is provided and which accelerates and focuses the flue gas flow. As a result, the flue gas flow is better mixed and can burn more efficiently in the post-combustion zone 27 or secondary combustion zone 27 .
  • the area ratio of the combustion chamber nozzle 203 is in a range from 25% to 45%, but is preferably 30% to 40%, and is, for example for a 100 kW biomass heating system 1, ideally 36% +/- 1% (ratio of the measured input area to the measured exit area of the nozzle 203).
  • the 6 shows a three-dimensional sectional view (obliquely from above) of the primary combustion zone 26 and the isolated part of the secondary combustion zone 27 of the combustion chamber 24 with the rotary grate 25, and in particular the special design of the combustion chamber bricks 29.
  • the 7 shows according to 6 an exploded view of the combustion chamber bricks 29.
  • the views of 6 and 7 can preferably with the dimensions listed above 4 and 5 be executed. However, this is not necessarily the case.
  • the chamber wall of the primary combustion zone 26 of the combustor 24 is provided with a plurality of combustor bricks 29 in a modular construction which, among other things, facilitates manufacture and maintenance. Maintenance is facilitated in particular by the possibility of removing individual combustion chamber bricks 29.
  • Form-fitting grooves 261 and projections 262 are provided in order to create a mechanical and largely airtight connection, in order in turn to prevent the ingress of disturbing external air.
  • every two at least largely symmetrical combustion chamber bricks (with the possible exception of the openings for the secondary air or the recirculated flue gas) form a complete ring.
  • three rings are preferably stacked on top of one another in order to form the primary combustion zone 26 of the combustion chamber 24 which is oval-cylindrical or alternatively at least approximately circular (the latter is not shown).
  • Three further combustion chamber bricks 29 are provided as the upper closure, with the annular nozzle 203 being supported by two retaining bricks 264 which are placed on the upper ring 263 in a form-fitting manner. All bearing surfaces 260 have grooves 261 either for mating projections 262 and/or for the insertion of suitable sealing material.
  • the mounting stones 264 which are preferably symmetrical, can preferably have an inwardly inclined bevel 265 in order to make it easier for fly ash to be swept away onto the rotary grate 25.
  • the lower ring 263 of the combustion chamber bricks 29 rests on a base plate 251 of the rotary grate 25 . Ash is increasingly deposited on the inner edge between this lower ring 263 of the combustion chamber bricks 29 , which advantageously independently and advantageously seals this transition during operation of the biomass heating system 1 .
  • the openings for the recirculation nozzles 291 or secondary air nozzles 291 are provided in the middle ring of the combustion chamber bricks 29 .
  • the secondary air nozzles 291 are provided at least approximately at the same (horizontal) height of the combustion chamber 24 in the combustion chamber bricks 29 .
  • Three rings of combustor bricks 29 are provided here, as this represents the most efficient way of manufacture and also of maintenance. Alternatively, 2, 4 or 5 such rings can also be provided.
  • the combustion chamber bricks 29 are preferably made of high-temperature silicon carbide, which makes them very wear-resistant.
  • the combustion chamber bricks 29 are provided as shaped bricks.
  • the combustion chamber bricks 29 are shaped in such a way that the interior volume of the primary combustion zone 26 of the combustion chamber 24 has an oval horizontal cross section, which means that dead corners or dead spaces, which are usually not optimally flown through by the flue gas/air mixture, are avoided by an ergonomic shape, whereby the fuel present there is not is optimally burned. Due to the present shape of the combustion chamber bricks 29, the flow of primary air through the grate 25, which also suits the distribution of the fuel over the grate 25, and the possibility of unhindered turbulent flows is improved; and consequently the efficiency of combustion is improved.
  • the oval horizontal cross section of the primary combustion zone 26 of the combustion chamber 24 is preferably a point-symmetrical and/or regular oval with the smallest inside diameter BK3 and the largest inside diameter BK11.
  • Turbulators increase the formation of turbulence in the boiler tubes 32, which reduces the flow rate, increases the residence time of the flue gas in the boiler tube 32 and thus increases the efficiency of the heat exchange.
  • the boundary layer of the flow on the pipe wall is broken up, which improves heat transfer.
  • the more turbulent the flow the greater the pressure loss.
  • the heat exchanger 3 has a vertically arranged bundle of boiler tubes 32, each boiler tube 32 preferably being provided with both a spring and a band or spiral turbulator.
  • the respective spring turbulator 36 preferably extends over the entire length of the respective boiler tube 32 and is designed in the shape of a spring.
  • the respective band turbulator 37 preferably extends over about half Length of the respective boiler tube 32 and has a spiral in the axial direction of the boiler tube 32 extending band with a material thickness of 1.5 mm to 3 mm. Furthermore, the respective band turbulator 37 can also be approximately 35% to 65% of the length of the respective boiler tube 32.
  • Each band turbulator 37 is preferably disposed with one end at the downstream end of each boiler tube 32 .
  • the combination of spring and ribbon or spiral turbulator can also be referred to as a double turbulator.
  • both ribbon and spiral turbulators are shown.
  • the band turbulator 37 is located within the spring turbulator 36 .
  • only one type of turbulator can be used as a cleaning element, in particular for cleaning purposes.
  • a cleaning shaft 92 can also be seen, which extends transversely to the viewing direction.
  • Band turbulators 37 are provided because the band turbulator 37 increases the turbulence effect in the boiler tube 32 and causes a more homogeneous temperature and velocity profile viewed over the tube cross section, while the tube without a band turbulator preferably forms a hot streak with higher velocities in the center of the tube, which extends to the outlet of the boiler tube 32, which would adversely affect the heat transfer efficiency.
  • the band turbulators 37 in the lower area of the boiler tubes 32 thus improve the convective heat transfer.
  • 22 boiler tubes with a diameter of 76.1 mm and a wall thickness of 3.6 mm can be used.
  • the pressure loss in this case can be less than 25 Pa.
  • the spring turbulator 36 ideally has an outside diameter of 65 mm, a pitch of 50 mm, and a profile of 10 ⁇ 3 mm.
  • the band turbulator 37 can have an outer diameter of 43 mm, a pitch of 150 mm and a profile of 43 x 2 mm.
  • a sheet metal thickness of the band turbulator can be 2 mm.
  • the desired target temperature at the outlet of the boiler tubes 32 can preferably be between 100 and 160 degrees Celsius at rated output.
  • the 9 shows a cleaning device 9 with which both the heat exchanger 3 and the filter device 4 can be cleaned (off) automatically.
  • the 9 shows the cleaning device from the boiler 11 for the sake of clarity.
  • the cleaning device 9 relates to the entire boiler 11 and thus relates to the convective part of the boiler 11 and also the last boiler pass, in which the electrostatic filter device 4 can optionally be integrated.
  • the cleaning device 9 has levers 921 which can transmit forces to two cleaning shafts 92 , the cleaning shafts 92 in turn being mounted in a shaft holder 93 .
  • the cleaning shafts 92 can preferably also be mounted rotatably at another location, for example at the remote ends.
  • the cleaning shafts 92 have extensions 94 to which the cage 48 of the filter device 4 and the turbulator holders 95 are connected and mounted via joints or via rotary bearings. In 9 only an angled extension 94 is shown as an example. However, the extension 94 or the extensions can also be rectilinear extend.
  • levers 921 have at their distal end (remote from the cleaning shaft 92) lever pins 922 which protrude in the direction of the axis of the cleaning shaft 92. These lever pins engage in slots or elongated holes 743, also referred to as lever pin holes 743, which will be explained later.
  • the turbulator mount 95 is in 10 highlighted and enlarged.
  • the turbulator mount 95 is designed in the manner of a comb and is preferably designed to be horizontally symmetrical.
  • the turbulator holder 95 is designed as a flat piece of metal with a material thickness in the thickness direction D of between 2 and 5 mm.
  • the turbulator mount 95 has two pivot bearing mounts 951 on its underside for connection to pivot bearing journals (not shown) of the extensions 94 of the cleaning shafts 92 .
  • Pivot mounts 951 may have horizontal play in which pivot pins or pivot linkage 955 can reciprocate as extensions 94 lever-like move with cleaning shaft 92 as the axis of rotation as cleaning shaft 92 rotates.
  • the extensions 94 can, for example, extend away from the cleaning shaft 92 in the lateral direction of the boiler 11 .
  • the turbulator mount 95 and/or the cage 48 and/or the turbulators 36/37 can be attached to the distal end of the extensions 94, for example. This attachment can be done via a joint or, as described above, via a bearing, or via a game.
  • the extensions 94 also serve as levers. A rotation is converted into a stroke and vice versa.
  • the extensions 94 of the cleaning shaft 92 extend radially from the cleaning shaft 92 so that they raise or lower the turbulator mount 95 (and the cleaning cage 94) as the cleaning shaft rotates.
  • the extensions are provided on the cleaning shaft 92 in such a way that the rotation of the cleaning shaft 92 is converted into at least a partial vertical stroke and vice versa.
  • the weight of the parts or elements acting on the cleaning shaft 92 can be more than 10 kilograms, preferably more than 30 kilograms, in order to generate a strong torque on the central axis of the cleaning shaft 92 .
  • the cleaning shaft 92 or the cleaning shafts 92 serve as a transmission element/s between the cleaning elements, for example the turbulators 36, 37, and a thrust element 74, which will be explained later in relation to the Figures 13 to 24 will be explained in more detail.
  • Vertically protruding extensions 952 also have a plurality of recesses 954 in and with which the double turbulators 36, 37 can be attached.
  • the recesses 954 can be at a distance from one another which corresponds to the pitch of the double turbulators 36, 37.
  • passages 953 for the flue gas can preferably be arranged in the turbulator holder 95 in order to optimize the flow from the boiler tubes 32 into the filter device 4 . Otherwise the flat metal would be at right angles to the flow and impede it too much.
  • the spiral automatically rotates under its own weight into the receptacle of the turbulator holder 95 (which can also be referred to as a receiving rod) and is thus fixed and secured. This makes assembly much easier.
  • the figures 11 and 12 show the cleaning mechanism 9 without the cage 48 in two different states.
  • the cage mount 481 can be seen better here.
  • FIG. 11 shows the cleaning mechanism 9 in a first (rest) state, with both the turbulator mounts 95 and the cage mount 481 in a lower position.
  • a two-armed hammer 96 with a stop head 97 is attached to one of the cleaning shafts 92 .
  • the impact lever 96 can also be provided with one or more arms.
  • the impact lever 96 with the stop head 97 is set up in such a way that it can be moved to the end of the (spray) electrode 45 or can strike against it.
  • the impact process can advantageously take place quickly and with a great deal of energy.
  • the impact lever 96 with the stop head 97 can strike the end of the (spray) electrode 45, for example during the transition from the first state to the second state.
  • This striking at the free (ie not suspended) end of the (spray) electrode 45 has the advantage over conventional vibrating mechanisms (in which the electrode is moved on its suspension) that the (spray) electrode 45 according to its vibration characteristics after the excitation the striking itself can vibrate (ideally freely).
  • the type of attack determines the oscillations or oscillation modes of the (spray) electrode 45 Longitudinal vibration to be struck.
  • the (spray) electrode 45 can also be located on the side (in the figures 11 and 12 be struck, for example, from the direction of arrow V), so that it oscillates transversely.
  • the (spray) electrode 45 can be the (spray) electrode 45 (as present in figures 11 and 12 shown) are attached at the end from a slightly laterally offset direction from below.
  • a plurality of different vibration modes are generated in the (spray) electrode 45 (by striking), which advantageously add up in the cleaning effect and improve the efficiency of the cleaning.
  • the shearing effect of the transverse vibration on the surface of the (spray) electrode 45 can improve the cleaning effect.
  • an impact or a shock wave can occur in the elastic spring electrode 45 in the longitudinal direction of the electrode 45, which is preferably designed as an elongated plate-shaped rod.
  • a transverse vibration of the (spray) electrode 45 can also occur due to the acting transverse forces (which are aligned transversely or at right angles to the direction of the longitudinal axis of the electrode 45).
  • a shock wave and/or longitudinal wave combined with a transverse vibration of the electrode 45 can again lead to improved cleaning of the electrode 45.
  • the cleaning device 9 can be manufactured simply and inexpensively in the manner described and has a simple and low-wear structure.
  • the cleaning device 9 is set up with the drive mechanism in such a way that ash residues are advantageously already removed from the first train of the boiler tubes 32 can be cleaned by the turbulators and can fall down.
  • the cleaning device 9 is installed in the lower, so-called “cold area” of the boiler 11, which also reduces wear, since the mechanics are not exposed to very high temperatures (i.e. the thermal load is reduced).
  • the cleaning mechanism is installed in the upper area of the system, which correspondingly disadvantageously increases wear.
  • FIG 13 shows a cross-sectional view through a biomass heating system 1 according to a modification of the biomass heating system of FIG 1 and 2 , which is shown viewed from the side view S.
  • the modification of 13 of the biomass heating system 1 of 1 concerns minor changes to the number of boiler tubes 32 and the dimensioning of the biomass heating system 1, as well as a further improvement in the cleaning device 9 and the ash removal 7.
  • the biomass heating system 1 of 13 has a boiler 11, a combustion device 2 with a combustion chamber 24, a boiler foot 12 (this is provided at the bottom) and a movable ash container 79 for receiving the combustion residues conveyed out of the biomass heating system 1 by the ash discharge screw 71.
  • the arrow S indicates the side view of the biomass heating system 1
  • the arrow V indicates the front view of the biomass heating system 1.
  • the biomass heating system 1 of 13 further has a heat exchanger 3 with turbulators 36, 37, which are arranged to be movable in the height direction or in the axial direction of the boiler tubes 32.
  • turbulators 36, 37 in the boiler tubes 32 can be moved back and forth.
  • Combustion residues are removed from the boiler tubes 32 by the movement of the turbulators 36, 37, mechanically detached from the walls of the boiler tubes 32, for example scraped off or detached by impact (more on this later).
  • the combustion residues fall down into the conveyor area of the ash discharge screw 71, are collected there, and are in the 13 transported to the right out of the biomass heating system 1.
  • a filter device 4 which has a (spray) electrode 45 and a (cleaning) cage 48 as a counter-electrode.
  • the cage 48 is arranged in such a way that when it moves up and down it mechanically loosens the wall of the filter device, for example scrapes it off or releases it by impact (more on this later).
  • the combustion residues fall down through the filter inlet 44 into the conveying area of the ash discharge screw 71, are collected there, and are in the 13 transported to the right out of the biomass heating system 1.
  • an improved cleaning device 4 is provided, which is driven by a drive unit 72, preferably a single drive unit.
  • the drive unit can be an electric motor 72 .
  • the electric motor 72 is provided as the sole drive for all components of the cleaning device 9 including the ash removal 7, which means that the present overall concept is structurally advantageous (space-saving, inexpensive, robust).
  • the electric motor 72 can also be, for example, an electric motor with a gear that can provide more than three revolutions per minute with a torque of more than 50 Nm, preferably more than four revolutions per minute with a maximum torque of 100 Nm.
  • the electric motor 72 can also have an (internal or external) freewheel 73 .
  • the transmission of the electric motor can be integrated with the freewheel 73 .
  • a crank element 77 (explained later) can preferably be mounted via an axle through the freewheel 73, for example a ball bearing freewheel.
  • the axis can preferably correspond to the axis of the ash discharge screw 71, whereby the crank element 77 and the ash discharge screw 71 are driven together via the freewheel.
  • the central axis of this common axis is denoted as axis of rotation 773 .
  • the freewheel can advantageously also be used for reverse travel of the ash discharge screw 71, which is required, for example, in the case of solid bodies jammed in the ash discharge screw 71, in order to remove the solid bodies.
  • a push member 74 is shown in section, which can be moved, among other things, by the electric motor 72 via a crank element 77 .
  • the electric motor 72 and other moving elements of the cleaning device 9 can be fixed or supported by immovable elements of the boiler 11, which are referred to collectively as the frame 76.
  • a sensor 75 is provided for detecting the movement or the position of the pushing member 74 .
  • the 14 shows a plan view of an exempt push member 74 of FIG 13 from the rear of the biomass heating system 1 the 13 .
  • the 15 shows a plan view of the exempt pusher member 74 of FIG 14 from the rear of the biomass heating system 1 together with other parts of the biomass heating system 1 of the 13 .
  • the thrust member 74 is explained as an individual part (cf. 14 ), with the functional explanation of the thrust member 74 then (cf. 15 ).
  • the thrust member 74 can be provided (roughly) in the form of a plate, with which in 14 a plan view of this plate-shaped element is shown.
  • the pushing member 74 can be made of a metal plate that is at least 5 mm thick, preferably at least 1 cm thick.
  • the thrust element can be cut out as a solid plate, for example by means of a laser cutting process.
  • the thrust member can be provided in one piece. The thrust member 74 is therefore correspondingly robust and can also withstand the corresponding forces acting in the processes and movements explained later.
  • the pushing member 74 has a special shape, as explained below.
  • the thrust member 74 has two guide holes 742, which are provided as an elongated hole or slot. Alternatively, however, the thrust member (not shown) can also have only one or more than two guide holes.
  • the lengthwise direction of the guide holes 742 may be horizontal with respect to installation of the pushing member 74 in the boiler 11 . Also, the length direction of the guide holes 742 may be provided in the lateral direction of the kettle 11.
  • the guide holes 742 are used to movably support the thrust member 74, which later with respect to 15 is explained in more detail.
  • the push member 74 preferably approximately or exactly in the middle in relation to the width extension of the push member 74, has an opening 741 for receiving a force-exerting element (will be explained later with reference to FIG 15 explained in more detail).
  • the opening 741 is provided as an elongated opening with rounded ends.
  • the thrust member 74 has two pivot holes 743, preferably lever pivot holes 743.
  • the thrust member 74 (not shown) can also have only one or more than two pivot holes.
  • the lengthwise direction of the pivot holes 743 with respect to the boiler 11 may be vertical.
  • a "hole” of the thrust member can be a hole completely surrounded by material, or for example a slot which is open at one end.
  • the thrust member 74 also has a stop 744, which will be explained in more detail later.
  • the length direction(s) of the guide holes 742 is preferably perpendicular to the length directions of the pin holes 753 .
  • This thrust member 74 serves as part of a (pulse-generating) transmission of the biomass heating system, with which the movement parameters of the individual parts of the cleaning device 9 can advantageously be changed or adjusted.
  • the rotational movement of the drive unit 72 with the thrust member 74 is converted into jerky or accelerated movements of cleaning elements of the biomass heating system 1, for example the cage 48, the turbulators 36, 37 and/or the impact lever 96.
  • guide pins 711 which are used for the movable mounting of the thrust member 74.
  • the guide pins 711 extend into or out of the plane of the paper.
  • the guide pins 711 are provided in a stationary manner in or on the boiler 11 and, together with the guide holes 742, specify the freedom of movement of the thrust member 74.
  • a movement of the guide pins 711 in the guide holes 742 is indicated by the two double arrows in the guide holes 742.
  • the thrust member can move back and forth in the direction of the double arrow HR.
  • the thrust member 74 is therefore provided so that it can be displaced laterally in relation to the boiler 11 .
  • the thrust member 74 is provided so that it can be displaced in a straight line.
  • the thrust member can be moved in a linear translational movement.
  • the possible length of the movement of the thrust member 74 is indicated by the double arrows FL, this length resulting from the length of the guide holes 742 results.
  • the movement is generated at least to a large extent in the thrust direction by the drive unit 72 (not shown), for example an electric motor, which drives a freewheel 73 (not shown) and a crank element 77 .
  • the crank element 77 can be provided, for example, as a crank disk with a (e.g. rod-shaped) crank extension 771, or alternatively as a crank lever with a crank extension 771.
  • the crank element 77 rotates or cranks about the axis of rotation 773 of the crank element 77.
  • the central axis of the crank extension 771 is in 15 perpendicular to the plane of the paper.
  • the central axis can also be provided at a slight angle to the plane of the paper.
  • a roller 772 can optionally be provided on the crank extension 771 to reduce wear and for better running of the mechanism, with the roller 772 in 15 is shown in dashed lines
  • crank extension 771 and the optional roller 772 protrude through the opening 741 of the push member 74 therethrough.
  • the crank extension 771 moves in the opening 741 of the push member 74.
  • the crank extension 771 or the roller 772 can rest against the edges of the opening 741. In the case shown here, the outside of the roller 772 rests against the inside edges of the opening 741 .
  • the effective radius of crank movement of the crank element 77 is indicated by the arrow RH starting from the axis of rotation 773 and the associated dashed line (i.e. this is the outer radius of the roller when the crank element 77 moves in a circle with the roller 772), with which the diameter of the Deflection by crank member 77 is twice the radius RH.
  • crank element 77 The direction of rotation of the crank element 77 is in 15 indicated by the arrow DR.
  • the length FL can be greater than or equal to the radius RH times two.
  • the special geometry of the opening 741 (among others) can lead to the impulse effect of the present cleaning device.
  • a hexagon nut and a washer for fixing the roller 772 in the opening 741 of the push member 74 are shown but not specified in more detail.
  • the opening 741 has a width SB that is equal to or larger than the width of the pulley 772 or equal to or larger than the width of the crank extension 771 (without the pulley).
  • width SB push element opening width SB
  • the width SB is slightly larger than the diameter of the roller 771. This can preferably provide play to minimize locking.
  • the length LB (pusher opening length) of the opening 741 may be equal to or greater than twice the radius RH.
  • crank member 77 and the opening 741 are provided such that the crank extension 771 and the roller 772 can move in the opening 741 to generate thrust, respectively.
  • the course of movement is described in more detail with reference to the figures below, to which reference is made.
  • a damping element 78 for example a spiral spring or a rubber element, is also provided.
  • the damping element 78 is attached to the boiler 11 with a damping element fixation 781 .
  • the damping element fixation 781 is thus provided immovably.
  • the damping element 78 is thus referring to 15 fixed on its left side.
  • a stop 744 for the damping element 78 is provided on the side of the thrust element 74 .
  • the damping element 78 essentially dampens or decelerates the movement or acceleration of the thrust member 74 in the direction of the impulse. This serves to minimize closure and to dampen noise.
  • the kinetics of the thrust member and thus of the cleaning device 9 can also advantageously be adjusted.
  • the central axis of a spiral spring is provided as a damping element 78 at least largely parallel to the directions of movement HR of the thrust member 74 .
  • lever pin 922 of the lever 921 there are two elements that are moved or move with the pusher 74: the lever pin 922 of the lever 921. It should be noted that alternatively only one Element or lever pin 922 can be provided with a corresponding hole.
  • lever pins 922 and the levers 921 are explained in more detail below.
  • the guide pins 711 are also the ends of the axes of the cleaning shafts 92, the cleaning shafts 92 and thus the guide pins 711 being mounted in the boiler 11 in a stationary manner.
  • the levers 921 shown in phantom are attached to the cleaning shafts 92 and the cleaning shafts 92 can be rotated by means of the levers 921 and vice versa.
  • the levers 921 can be designed in the form of rods, for example.
  • the Levers 921 of 15 are also in 13 shown.
  • lever pins 922 which extend through the lever pin holes 743 .
  • the lever pins 922 can move in the lever pin holes 743 in the direction of the double arrows (up and down) next to them.
  • the levers 921 can move in the respective angular range S based on a back and forth movement of the push member 74 .
  • the fulcrum pins 922 move (ie, reciprocating movement of the pusher member 74) along the circular segment lines that are associated with the respective angle S in 15 are specified.
  • the thrust member 74 is further alternately in the in 15 specified thrust direction and also in 15 moves back and forth in the direction indicated. This and the interaction of the crank element 77, the pusher member 74 and the cleaning shafts 92 is described below with reference to FIG Figures 16 to 23 explained.
  • FIGs 16 to 23 show a total of four states of the cleaning device 9, each with two consecutive figures.
  • the 16 shows a rear view of the biomass heating system 1 of 13 and thus the thrust member 74 of 14 and 15 in the larger context of the biomass heating system 1.
  • 17 shows a corresponding oblique view from behind of the biomass heating system 1 of FIG 13 in the initial or idle state with a view of the biomass heating system 1.
  • 20 shows a rear view of the biomass heating system 1 of 13 and the thrust member 74 of 14 and 15 in the maximum stroke state of the cleaning device 9.
  • 21 shows a corresponding oblique view from behind of the biomass heating system 1 of FIG 13 in the overrun condition of the cleaning device 9 with a view of the biomass heating system 1.
  • 22 shows a corresponding rear view of the biomass heating system 1 of FIG 13 and the thrust member 74 of 14 and 15 in the case of the cleaning device 9.
  • 23 shows a corresponding oblique view from behind of the biomass heating system 1 of FIG 13 in the case of the cleaning device 9 with a view of the biomass heating system 1.
  • the figures 16 and 17 show the cleaning device 9 in an initial/resting state.
  • the normal operation of the biomass heating system takes place without cleaning having to take place.
  • the cleaning device can also remain in this idle state for a longer period of time.
  • This state is therefore also the initial state for a cleaning process or the present cleaning method.
  • the crank element 77 In the initial state, the crank element 77 is in a first rotational position (also referred to as the initial position), which is in 16 is indicated schematically by the dot-dash line, which extends from the axis of rotation 773 of the Crank element 77 extends to the left.
  • the guide pins 711 are located in the guide holes 742 on the right side of the 16 .
  • the thrust member 74 is at least largely deflected in the impulse direction, ie viewed from the front in the direction of the right-hand side of the biomass heating system 1 .
  • the sensor 75 for example a magnetic/inductive sensor, can detect the presence of the thrust member 74 and transmit it to a control device (not shown), for example.
  • the biomass heating system 1 can thus detect the presence of the idle state or the initial state.
  • the damping element 78 is compressed and rests against the stop for the damping element 744 .
  • the two levers 921 are in a basic position.
  • a cleaning element can be, for example, the cage 48 and/or a single turbulator or a plurality of turbulators 36, 37 and/or the impact lever 96.
  • these cleaning elements are in a position in which the cleaning elements are arranged at the bottom, at least largely in relation to their vertical range of motion.
  • This bottom position is in 17 indicated with H1 by way of example in relation to the upper end of the turbulators.
  • the cage 48 is in a lower position. This position is relative to an upper end of the cage 48 in 17 also indicated by H1, the coincidence of the two heights of the cleaning elements being merely coincidental in the present case.
  • the cage 48 and the turbulators 36 and 37 can generally also be arranged at different heights.
  • the figures 18 and 19 show the cleaning device 9 in an overrun state. At the beginning of this state, a cleaning is started or continued.
  • the drive unit 72 rotates the crank element 77 from its starting position or first crank rotational position (in short: first position) in the direction of rotation DR and thus pushes the thrust member 74 in the thrust direction (in 18 to the right, viewed from the front of the biomass heating system 1 to the left).
  • crank member 77 In the pushing state, the crank member 77 is between its initial position and that later with respect to FIG 20 explained self-running starting position of the crank element 77. In 18 one of these possible positions is indicated by way of example by the dot-dash line which extends downwards from the axis of rotation 773 of the crank element 77 .
  • the guide pins 711 are located in the guide holes 742 in a central area.
  • the push member 74 is between the maximum left and maximum right deflection position.
  • damping element 78 is thereby relaxed and can continue to bear against the stop for the damping element 744 at least during part of this state.
  • damping element 78 in the present example a spiral spring, an optional damping element counter-stop 782 is also provided, which limits the maximum compression of the damping element 78 and limits the movement of the thrust member in the direction of the impulse.
  • the cleaning elements are raised in the pushing state via the two levers 921 and the cleaning shafts 92 due to the rotation of the crank element 77 and the resulting movement of the pushing member 74 in the pushing direction.
  • this change in height is exemplified by a comparison of an exemplary height H2 in the overrun state with the height H1 in the initial state.
  • the height of the cleaning elements changes relatively evenly if the drive unit 72 is operated at a constant speed. This is fundamentally desirable since it reduces the wear on the drive unit 72 and also significantly reduces the complexity of the control of the drive unit.
  • the relative potential energy of the cleaning elements increases in the thrust state with the increasing advance of the thrust element 78 in the thrust direction or with the further rotation of the crank element 77.
  • the sensor 75 detects that the thrust member 74 is no longer in the initial state.
  • a positive detection is possible that a cleaning of the biomass heating system is taking place.
  • the figures 20 and 21 show the cleaning device 9 in a maximum stroke state.
  • the thrust member 74 is in the thrust direction, i. H. Viewed from the front in the direction of the left side of the biomass heating system 1, at least largely deflected.
  • the drive unit 72 had moved the thrust member up to a maximum deflection in the thrust direction, until the maximum stroke state of the cleaning device 9 is reached (in 20 the push element is located at maximum on the right, viewed from the front of the biomass heating system 1 at maximum on the left).
  • the guide pins 711 are located in the guide holes 742 of 20 on the left. Accordingly, the lever 922 are now compared to 16 deflected to the respective other side.
  • the damping element 78 is expanded and no longer touches the thrust member 74 .
  • crank element 77 is in a further (second) predetermined crank rotational position (this can also be referred to as the self-running start position), which in 20 is indicated schematically by the dot-dash line extending from the axis of rotation 773 of the crank member 77 to the right.
  • the self-weight of the cleaning elements pushes the pushing member 74 in the direction of the impulse, this force being imparted via the levers of the cleaning shaft 92 .
  • crank element 77 If the crank element 77 now exceeds the predetermined crank rotational position in the maximum stroke state (cf. the dotted line in 20 ), the crank element 77 is no longer pressed in the opposite direction of rotation DR, but is moved in the direction of rotation DR by the push member 74 . This change is defined due to the geometry of the opening 741 and the position of the crank element 77 in relation to the opening 741 .
  • crank element 77 can yield to this pressure or the force exerted and continue to move in the direction of rotation DR independently of the drive unit.
  • the pushing member 74 is pushed in the pushing state until it reaches the maximum stroke state and the self-running start position of the crank member 77 . Thereafter, the pushing member 74 pushes the crank element 77 further in the direction of rotation DR. The falling state, which will be described below, is thus reached.
  • the mechanism of the cleaning device 9 thus begins to run automatically when the self-running start position of the crank element 77 is exceeded, i. i.e. it moves independently of the drive unit 72 in the falling state.
  • a rotational position of the crank element 77 is indicated schematically by the dot-dash line extending upwards from the axis of rotation 773 of the crank element 77 .
  • the crank element 77 in the falling state covers the rotation range from the self-running starting position or second crank rotation position (in short: second position) to the previously described starting position or first position.
  • the thrust member moves in 22 in the direction of momentum, ie, to the left.
  • the fall state includes a relatively free fall of the cleaning elements, which is only slowed down somewhat by various frictional influences (for example the friction of the cleaning shaft 92 in its bearings or the friction of the turbulators in the boiler tubes 32). A certain moment of inertia of the thrust member 32 also comes into play, but this is just as slight.
  • the magnitude of the acceleration can advantageously be adjusted with the damping element 78, for example with the spring constant of a spiral spring or an oil pressure cylinder, as required by the specific application according to the weight of the cleaning elements and the kinetics of the mechanics of the cleaning device.
  • the acceleration process of the cleaning elements and also of the pushing element 74 in the falling state improves the cleaning effects in the boiler 11 considerably.
  • the various mechanical cleaning effects are also improved due to the resulting increased speed.
  • the impact lever 96 which is also actuated via the cleaning shafts 92, strikes the discharge electrode of the electrostatic precipitator 45 more quickly.
  • a faster movement of the turbulators in the heat exchanger leads to a better effect of breaking up more solid caking or adhesions.
  • the thrust member 74 is again at least largely on the left side of the 22 , and the cleaning elements are again at least approximately at the height of H1 16 and 22 .
  • the thrust member 74 can also strike the damping element counter-stop 782 with its stop 744 . This results in an impact into the boiler 11 and the fall is intercepted.
  • the damping element 78 can also be maximally compressed to end the falling state.
  • a damping element counter-stop 782 is not absolutely necessary.
  • the damping element counter-stop 782 can ensure that a damping element 78 is not subjected to excessive loads and, under certain circumstances, is subjected to excessive wear.
  • the spiral spring could be over-compressed with resulting spring breakage.
  • a cleaning element e.g. the turbulators
  • the cleaning element has a final speed of roughly 1.4 m/s when the stop 744 hits the counter-stop 782.
  • this cleaning element has a weight of 30 kg
  • the cleaning element has a kinetic energy of roughly 29.4 joules at the end of the fall, which is to be evaluated as the energy of a single impact.
  • the entire mechanism of the cleaning device 9 is thus subjected to a strong shock, which can also be released into the boiler 11 via the stops.
  • the cleaning device 9 consequently produces a shaking effect which conventional linearly operating cleaning devices do not produce.
  • the cleaning device 9 described above thus results in an improved cleaning effect, since more solid caking or heavy buildup of combustion residues in the boiler can be detached. If the combustion residues are now better cleaned off, the efficiency of the boiler 11 is improved and the emissions are reduced.
  • the volume of the cleaning is advantageously reduced by the damping element.
  • FIG. 24 discloses another pusher member 74 having an alternative shape the opening 741.
  • the further thrust member 74 is integrated in the same way in the biomass heating system 1, as the thrust member 74 of Figures 13 to 23 . Reference is therefore made to the above explanations, which also with the thrust member 74 of 24 can be realized.
  • the individual states of the thrust member 74 of Figures 13 to 23 correspond to those of 14 .
  • the crank element 771 is located in the 24 in the starting position.
  • the opening 741 has a step 745 on the right side.
  • This step 745 is arranged such that the crank extension 771 or the roller 771 is moved over the step 745 at the end of the pushing state (at the maximum stroke state), and the pushing member 74 is jerked in the impulse direction. An even greater acceleration is thus generated during the transition to the falling state, since the thrust element 74 is not initially pushed against the inertia of the freewheel.
  • the thrust member 74 of 24 advantageously an increased double acceleration, once at the beginning of the fall state and once at the end, which further improves the shaking effect with regard to the impurities.
  • the thrust member 74 also arrives Figures 13 to 23 quite quickly from the maximum lift state to the fall state, since a freewheel, in particular a ball bearing freewheel, can be implemented almost without inertia.
  • the opening 741 is presently provided in an approximately L-shape. However, alternative shapes of the opening 741 are also conceivable.
  • the biomass heating system 1 is preferably designed in such a way that the entire drive mechanism in the lower boiler area (including rotary grate mechanism including rotary grate, heat exchanger cleaning mechanism, drive mechanism for moving floor, mechanism for filter device, cleaning basket and drive shafts and ash discharge screw) can be quickly and efficiently removed and removed again using the "drawer principle”. can be used. This facilitates maintenance work.
  • rotary grate mechanism including rotary grate, heat exchanger cleaning mechanism, drive mechanism for moving floor, mechanism for filter device, cleaning basket and drive shafts and ash discharge screw
  • guide holes 742 are provided with two guide pins 711, only one guide hole 742 with two guide pins 711 may be provided, for example.
  • three guide holes 742 with three guide pins can also be provided.
  • the number of guide holes is not limited to two. The same applies to the peg holes 743.
  • rotary grate elements 252, 253 and 254 instead of only three rotary grate elements 252, 253 and 254, two, four or more rotary grate elements can also be provided. With five rotary grate elements, for example, these could be arranged with the same symmetry and functionality as with the three rotary grate elements presented.
  • the rotary grate elements can also be shaped or designed differently from one another. More rotary grate elements have the advantage that the crushing function is increased.
  • convex sides of the rotary grate elements 252 and 254 concave sides of these can also be provided, in which case the sides of the rotary grate element 253 can be shaped in a complementary convex manner. This is functionally almost equivalent.
  • the rotational flow or turbulent flow in the combustion chamber 24 can be clockwise or counterclockwise.
  • the combustion chamber cover 204 can also be provided with an incline in sections, for example in a stepped manner.
  • the secondary air nozzles 291 are not limited to purely cylindrical bores in the combustion chamber bricks 291 . These can also be designed as frustoconical openings or tapered openings.
  • the secondary (re)circulation can also only be flown with secondary air or fresh air, and in this respect not recirculate the flue gas, but only supply fresh air.
  • Fuels other than wood chips or pellets can also be used as fuels in the biomass heating system.
  • the biomass heating system disclosed here can also be fired exclusively with one type of fuel, for example only with pellets.

Description

    TECHNISCHES GEBIET
  • Die Erfindung betrifft eine Biomasse-Heizanlage, sowie deren Bestandteile. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Biomasse-Heizanlage mit einer verbesserten Reinigungseinrichtung.
    • STAND DER TECHNIK
  • Biomasse-Heizanlagen, insbesondere Biomasse-Kessel, in einem Leistungsbereich von 20 bis 500 kW sind bekannt. Biomasse kann als ein günstiger, heimischer, krisensicherer und umweltfreundlicher Brennstoff angesehen werden. Als verfeuerbare Biomasse beziehungsweise als biogene Festbrennstoffe gibt es beispielsweise Hackgut oder Pellets.
  • Die Pellets bestehen meistens aus Holzspänen, Sägespänen, Biomasse oder anderen Materialien, die in kleine Scheiben oder Zylinder mit einem Durchmesser von ca. 3 bis 15 mm und einer Länge von 5 bis 30 mm verdichtet worden sind. Hackgut (auch als Holzschnitzel, Holzhackschnitzel oder Hackschnitzel bezeichnet) ist mit schneidenden Werkzeugen zerkleinertes Holz.
  • Biomasse-Heizanlagen für Brennstoffe in Form von Pellets und Hackgut weisen im Wesentlichen einen Kessel mit einer Brennkammer (der Verbrennungsraum) und mit einer daran anschließenden Wärmetauschvorrichtung auf. Aufgrund der in vielen Ländern verschärfter gesetzlicher Vorschriften weisen einige Biomasse-Heizanlagen auch einen Feinstaubfilter auf. Regelmäßig ist weiteres verschiedenes Zubehör vorhanden, wie beispielsweise Brennstoff-Fördereinrichtungen, Regelungseinrichtungen, Sonden, Sicherheitsthermostate, Druckschalter, eine Abgasrückführung, eine Kesselabreinigung und ein separater Brennstoffbehälter.
  • Bei der Brennkammer sind regelmäßig eine Einrichtung zur Zuführung von Brennstoff, eine Einrichtung für die Zufuhr der Luft und eine Zündvorrichtung für den Brennstoff vorgesehen. Die Einrichtung zur Zufuhr der Luft weist wiederum normalerweise ein Gebläse mit niedrigem Druck auf, um die thermodynamischen Faktoren bei der Verbrennung in der Brennkammer vorteilhaft zu beeinflussen. Eine Einrichtung zur Zuführung von Brennstoff kann beispielsweise mit einem seitlichen Einschub vorgesehen sein (sog. Quereinschubfeuerung). Dabei wird der Brennstoff von der Seite über eine Schnecke oder einen Kolben in die Brennkammer eingeschoben.
  • In der Brennkammer einer Festbettfeuerung ist weiter üblicherweise ein Feuerungsrost vorgesehen, auf welchem kontinuierlich der Brennstoff im Wesentlichen zugeführt und verbrannt wird. Dieser Feuerungsrost lagert den Brennstoff für die Verbrennung und weist Öffnungen, beispielsweise Schlitze, auf, die den Durchgang eines Teils der Verbrennungsluft als Primärluft zu dem Brennstoff erlauben. Weiter kann der Rost starr oder beweglich ausgeführt sein. Zudem gibt es Rostfeuerungen, bei denen die Verbrennungsluft nicht durch den Rost, sondern nur seitlich zugeführt wird.
  • Beim Durchströmen des Rosts mit der Primärluft wird unter anderem auch der Rost gekühlt, wodurch das Material geschont wird. Zudem kann es bei unzureichender Luftzuführung auf dem Rost zu Schlackenbildung kommen, wobei sich die Schlacke wiederum auch (u. A. bei Reinigung des Rostes) ablösen kann und in die restliche Biomasse-Heizanlage weitergetragen werden kann. Insbesondere Feuerungen, die mit unterschiedlichen Brennstoffen beschickt werden sollen, womit sich die vorliegende Offenbarung insbesondere beschäftigt, weisen die inhärente Problematik auf, dass die unterschiedlichen Brennstoffe unterschiedliche Ascheschmelzpunkte, Wassergehalte und unterschiedliches Brennverhalten und damit variable Verbrennungsrückstände aufweisen. Damit ist es problematisch eine Heizanlage vorzusehen, die für unterschiedliche Brennstoffe gleichermaßen gut geeignet ist. Eine gute Eignung für unterschiedliche Brennstoffe setzt dabei eine regelmäßige und effiziente Abreinigung der Biomasse-Heizanlage voraus.
  • Die Brennkammer kann weiterhin regelmäßig in eine Primärverbrennungszone (unmittelbare Verbrennung des Brennstoffes auf dem Rost sowie im Gasraum darüber vor Zuführung einer weiteren Verbrennungsluft) und eine Sekundärverbrennungszone (Nachverbrennungszone des Rauchgases nach einer weiteren Luftzufuhr) eingeteilt werden. In der Brennkammer erfolgen die Trocknung, pyrolytische Zersetzung sowie die Vergasung des Brennstoffes und der Holzkohleausbrand. Um die entstehenden brennbaren Gase vollständig zu verbrennen wird zudem eine weitere Verbrennungsluft in einer oder mehreren Stufen (Sekundärluft bzw. Tertiärluft) bei Beginn der Sekundärverbrennungszone eingebracht.
  • Die Verbrennung der Pellets oder des Hackguts weist nach der Trocknung im Wesentlichen zwei Phasen auf. In der ersten Phase wird der Brennstoff durch hohe Temperaturen und Luft, die in die Brennkammer eingeblasen werden kann, und zumindest teilweise pyrolytisch zersetzt und in Gas umgewandelt. In der zweiten Phase treten die Verbrennung des in Gas umgewandelten (An-)Teils sowie die Verbrennung der eventuell vorhandenen restlichen Feststoffe (beispielsweise Holzkohle) ein. Insofern gast der Brennstoff aus, und das entstandene Gas sowie die darin vorhandene Holzkohle werden mitverbrannt.
  • Unter Pyrolyse versteht man die thermische Zersetzung eines festen Stoffes unter Sauerstoffabschluss. Die Pyrolyse lässt sich in die primäre und sekundäre Pyrolyse aufteilen. Die Produkte der primären Pyrolyse sind Pyrolysekoks und Pyrolysegase, wobei sich die Pyrolysegase in bei Raumtemperatur kondensierbare und nicht kondensierbare Gase unterteilen lassen. Die primäre Pyrolyse findet bei grob 250-450°C und die sekundäre Pyrolyse bei ungefähr 450-600°C statt. Die in weiterer Folge auftretende sekundäre Pyrolyse basiert auf der Weiterreaktion der primär gebildeten Pyrolyseprodukte. Die Trocknung und Pyrolyse finden zumindest weitgehend ohne den Einsatz von Luft statt, da flüchtige CH - Verbindungen vom Partikel austreten und daher keine Luft an die Partikeloberfläche gelangt. Die Vergasung kann als Teil der Oxidation gesehen werden; es werden die bei der pyrolytischen Zersetzung entstandenen festen, flüssigen und gasförmigen Produkte durch weitere Wärmeeinwirkung in Reaktion gebracht. Dies geschieht unter Zugabe eines Vergasungsmittels wie Luft, Sauerstoff, Wasserdampf, oder auch Kohlendioxid. Der Lambda-Wert bei der Vergasung ist größer als null und kleiner als eins. Die Vergasung findet bei rund 300 bis 850°C oder sogar bis 1.200 °C statt. Die vollständige Oxidation mit Luftüberschuss (Lambda größer 1) findet durch weitere Luftzugabe an diese Prozesse anschließend statt. Die Reaktionsendprodukte sind im Wesentlichen Kohlendioxid, Wasserdampf und Asche. Bei allen Phasen sind die Grenzen nicht starr, sondern fließend. Mittels einer am Abgasausgang des Kessels vorgesehenen Lamdasonde kann der Verbrennungsprozess vorteilhaft geregelt werden.
  • Allgemein ausgedrückt wird der Wirkungsgrad der Verbrennung durch die Umwandlung der Pellets in Gas erhöht, weil gasförmiger Brennstoff mit der Verbrennungsluft besser vermischt und damit vollständiger umgesetzt wird, und eine geringere Emission von Schadstoffen, weniger unverbrannte Partikel und Asche (Flugasche bzw. Staubpartikel) erzeugt werden.
  • Bei der Verbrennung von Biomasse entstehen gasförmige bzw. luftgetragene Verbrennungsprodukte, deren Hauptbestandteile Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff sind. Diese können in Emissionen aus vollständiger Oxidation, aus unvollständiger Oxidation und Stoffen aus Spurenelementen bzw. Verunreinigungen unterschieden werden. Bei den Emissionen aus vollständiger Oxidation handelt es sich im Wesentlichen um Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasserdampf (H2O). Die Bildung von Kohlenstoffdioxid aus dem Kohlenstoff der Biomasse ist das Ziel der Verbrennung, da so die freigesetzte Energie vollständiger genutzt werden kann. Die Freisetzung von Kohlenstoffdioxid (CO2) verhält sich weitgehend proportional zum Kohlenstoffgehalt der verbrannten Brennstoffmenge; somit ist der Kohlenstoffdioxid auch abhängig von der bereitzustellenden Nutzenergie. Eine Reduzierung kann im Wesentlichen nur durch eine Verbesserung des Wirkungsgrades erzielt werden. Der Kessel weist weiter üblicherweise einen Strahlungsteil, der in die Brennkammer integriert ist, und ein Konvektionsteil (dem daran anschließenden Wärmetauscher) auf.
  • Das Abgas der Verbrennung in der Brennkammer wird dem Wärmetauscher zugeführt, so dass die heißen Verbrennungsgase durch den Wärmetauscher strömen, um Wärme auf ein Wärmetauschmedium zu übertragen, bei dem es sich normalerweise um Wasser bei etwa 80°C (üblicherweise zwischen 70 °C und 110°C) handelt. Insbesondere bei diesem Abkühlungsvorgang können sich Verbrennungsrückstände in den Rohren des Wärmetauschers festsetzen und dabei auch sehr fest anhaften.
  • Es sind die vorstehend beschriebenen komplexen Verbrennungsvorgänge nun nicht einfach zu beherrschen. Es können verschiedene Arten von Brennstoffrückständen, beispielsweise Asche oder Schlacke, entstehen, welche sich im gesamten Verlauf der Strömungsführung der Biomasse-Heizanlage ausbreiten und die sich unterschiedlich gut abreinigen lassen.
  • Insbesondere können diese Verbrennungsrückstände, je nach Temperaturzustand oder auch beispielsweise bei Kondensation und ebenso in einem (optionalen) Elektrofilter an den Wänden oder sonstigen Teilen des Kessels anhaften. Besonders problematisch ist, dass die Anhaftung der Verbrennungsrückstände sehr fest bzw. beständig sein kann, womit das Problem besteht, dass eine Reinigung des Kessels (insbesondere bei einer händischen Reinigung) recht schwierig ist. Die Praxis zeigt, dass die Verbrennungsrückstände insbesondere im Wärmetauscher und im (optionalen) Elektrofilter fest anhaften oder anbacken können, womit eine Abreinigung dessen nochmals erschwert wird.
  • Insbesondere Feuerungen, die mit unterschiedlichen Brennstoffen beschickt werden sollen, womit sich die vorliegende Offenbarung besonders beschäftigt, weisen die inhärente Problematik auf, dass die unterschiedlichen Brennstoffe unterschiedliche Ascheschmelzpunkte, Wassergehalte und unterschiedliches Brennverhalten aufweisen. Damit weisen insbesondere Heizanlagen mit brennstoffflexibler Beschickung das Problem sehr variabler -in der Praxis kaum vorhersehbarer- Entstehung von Verbrennungsrückständen unterschiedlicher chemischer und physikalischer Eigenschaften auf. Insofern muss eine Abreinigung der Biomasse-Heizanlage auch mit diesen unterschiedlichen Verbrennungsrückständen zurechtkommen.
  • Grundsätzlich bestehen bei herkömmlichen Biomasse-Heizanlagen die weiteren Probleme, dass die gasförmigen oder festen Emissionen zu hoch sind, dass der Wirkungsgrad zu niedrig ist und dass die Staubemissionen zu hoch sind. Problematisch ist weiter die variierende Qualität des Brennstoffs, aufgrund des variierenden Wassergehalts und der Stückigkeit des Brennstoffs, womit ein gleichmäßiger Abbrand des Brennstoffs mit niedriger Emission erschwert wird. Insbesondere bei Biomasse-Heizanlagen, welche für verschiedene Arten von biologischem bzw. biogenem Brennstoff tauglich sein sollen, erschwert es die variierende Qualität und Konsistenz des Brennstoffs, eine durchgängig hohe Effizienz der Biomasse-Heizanlage aufrechtzuerhalten. Diesbezüglich besteht Optimierungsbedarf.
  • Ein Nachteil der herkömmlichen Biomasse-Heizanlagen für Pellets kann darin bestehen, dass Pellets, die in die Brennkammer fallen, aus dem Gitter bzw. vom Rost herausrollen bzw. abrutschen können oder neben dem Rost landen können und in einen Bereich der Brennkammer gelangen können, in dem die Temperatur niedriger ist oder in dem die Luftzufuhr schlecht ist, oder sie können sogar in die unterste Kammer des Kessels bzw. den Ascheschacht fallen. Pellets, die nicht auf dem Gitter bzw. Rost verbleiben, verbrennen unvollständig und verursachen dadurch einen schlechten Wirkungsgrad, übermäßige Asche und eine bestimmte Menge an unverbrannten Schadstoffpartikeln, welche die Biomasse-Heizanlage wiederum verschmutzen. Dies gilt für Pellets wie auch für Hackschnitzel.
  • Der Stand der Technik der DE 10 94 912 B offenbart eine Vorrichtung zur rauchgasseitigen Reinigung der Rauchrohre stehender Heizkessel, bei welchen in den Rauchrohren heb- und senkbare wendelförmige Leitelemente angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung für die hin- und hergehende Bewegung der wendelförmigen Leitelemente 2 derart ausgebildet ist, dass jeweils am Ende der hin- und hergehenden Bewegungen ruckartige Stöße auf diese Leitelemente und gegebenenfalls gleichzeitig auf die Rohre 1 ausgelöst werden.
  • Der Stand der Technik der US 2 233 066 A offenbart in Anspruch 1 das Folgende: In einem Wärmetauscher sind eine Vielzahl von Elementen, die Durchgänge für mit Verunreinigungen beladenes Gas definieren, eine Einrichtung zum Entfernen von angesammelten Ablagerungen von den Elementen, die flexible Ketten, die in den Durchgängen angeordnet sind, Stangen, an denen jeweils eine Vielzahl der Ketten aufgehängt ist, und eine Welle mit Kipparmen, die die Stangen tragen, angeordnet, wobei die Anordnung so ist, dass die Ketten beim Kippen der Arme nach oben und unten und von einer Seite zur anderen bewegt werden, um die Elemente mit einer überstreichenden Bewegung zu berühren und so alle angesammelten Ablagerungen zu entfernen.
  • Als weiterer Stand der Technik betreffend einer Reinigungseinrichtung für einen Heizkessel ist die EP 1 830 130 A2 bekannt. Diese offenbart einen Heizkessel mit einer Rauchgasklappe für ein im Wesentlichen rauchfreies Öffnen einer Fülltür eines Füllraums. Zum Befüllen des Heizkessels mit Brennstoff wird vorgeschlagen, die Fülltür mit einer Sicherheitseinrichtung auszustatten, welche bei geöffneter oder geschlossener Fülltür bei gleichzeitig geöffneter arretierter Rauchgasklappe ein Signal erzeugt und eventuell anzeigt oder bei geschlossener Fülltür oder während eines Schließens der Fülltür die Arretierung der geöffneten Rauchgasklappe löst. Die Sicherheitseinrichtung ist im Besonderen ein federvorgespannter Kipphebel, welcher als Fühler einer offenen oder geschlossenen Fülltür und als Schaltelement zum Betätigen eines Betätigungshebels der Rauchgasklappe dient. Der Betätigungshebel kann gegebenenfalls auch gleichzeitig eine Wärmetauscher-Reinigungsvorrichtung betätigen, die an die Rauchgasklappe angekoppelt ist.
  • Diese Reinigungseinrichtung hat die Nachteile, dass diese manuell betätigt werden muss, und das die Bewegung der Wärmetauscher-Reinigungsvorrichtung durch die Betätigung des Betätigungshebels zu einem ineffizienten mechanischen Abreinigungsvorgang führt, der Probleme dabei hat, die Verbrennungsrückstände aus dem Wärmetauscher zu entfernen.
  • Biomasse-Heizanlagen für Pellets oder Hackgut mit Reinigungseinrichtungen des Stands der Technik weisen die folgenden weiteren Nachteile und Probleme auf.
  • Die Lautstärke des Abreinigungsvorgangs ist oft recht erheblich, was beispielsweise bei Biomasse-Heizanlagen für Wohngebäude nicht erwünscht ist.
  • Die Abreinigung ist ineffizient und erfordert eine häufig wiederkehrende und/oder längere Durchführung des Abreinigungsvorgangs um eine ausreichende Reinigungswirkung zu erzielen.
  • Die Abreinigung ist unvollständig. Es bleiben Verbrennungsrückstände in der Biomasse-Heizanlage zurück. Dies gilt insbesondere für die gasführenden Anlagenteile, welche nicht unmittelbar von der mechanischen Abreinigung berührt bzw. erfasst werden.
  • Die Reinigungseinrichtungen sind mechanisch komplex. Beispielsweise erfordern diese eine Mehrzahl von unterschiedlichen Antrieben und gesondert zueinander vorgesehene Mechanismen zur Abreinigung der unterschiedlichen Anlagenteile. Beispielsweise werden Elektrofilter und Wärmetauscher üblicherweise mit unterschiedlichen Mechanismen abgereinigt.
  • Störend sind auch Unterbrechungen des Betriebs der Biomasse-Heizanlage, um Wartungsarbeiten zum Reinigen durchzuführen, welche aufgrund der Ineffizienz und Unvollständigkeit der automatischen Reinigungseinrichtungen des Stands der Technik durchgeführt werden müssen. Um nun die Verbrennungsrückstände zu verringern und damit das Wartungsintervall zu vergrößern wird in der Brennkammer normalerweise nachteilhaft ein großer Luftüberschuss aufrechterhalten, doch dadurch nehmen die Flammentemperatur und der Wirkungsgrad der Verbrennung ab, und es kommt zu erhöhten Emissionen an unverbrannten Gasen (z.B. CO, CyHy), NOx und Staub (bspw. durch die verstärkte Aufwirbelung). Auch dies ist ein Problem, welche herkömmliche Biomasse-Heizanlagen mit Reinigungseinrichtungen aufweisen können.
  • Weiter besteht insbesondere auch bei den Wärmetauschern von Biomasse-Heizanlagen des Stands der Technik Optimierungsbedarf, d.h., deren Effizienz könnte gesteigert werden. Die Effizienz des Wärmetauschers ist dabei auch von dessen Verschmutzungsgrad abhängig. Damit besteht Verbesserungsbedarf betreffend der oft umständlichen und ineffizienten Abreinigung von herkömmlichen Wärmetauschern.
  • Das gleiche gilt für die üblichen Elektrofilter von Biomasse-Heizanlagen. Deren Sprüh- und auch Abscheideelektroden setzen sich regelmäßig mit Verbrennungsrückständen zu, was die Ausbildung des elektrischen Feldes zur Filterung verschlechtert und die Effizienz der Filterung verringert.
  • Es ist folglich eine Aufgabe der Erfindung, eine Biomasse-Heizanlage mit einer optimierten Reinigungseinrichtung vorzusehen.
  • Es kann in der Folge auch eine Aufgabe der Erfindung sein, eine Biomasse-Heizanlage in Hybridtechnologie vorzusehen, welche emissionsarm (v.a. bzgl. Feinstaub, CO, Kohlenwasserstoffen, NOx) ist, welche brennstoffflexibel mit Hackgut und Pellets betrieben werden kann, und welche einen hohen Wirkungsgrad aufweist. Das vorstehende kann die sekundäre Folge einer verbesserten Abreinigung sein.
  • Dabei können erfindungsgemäß und ergänzend folgende Überlegungen eine Rolle spielen:
    • Die Hybridtechnologie soll sowohl den Einsatz von Pellets als auch von Hackgut mit Wassergehalten zwischen 8 und 35 Gewichtsprozent ermöglichen.
    • Möglichst niedrige gasförmige Emissionen (kleiner als 50 oder 100 mg/Nm3 bezogen auf trockenes Rauchgas und 13 Volumenprozent O2) sollen erzielt werden.
    • Sehr niedrige Staubemissionen kleiner 15 mg/Nm3 ohne und kleiner 5 mg/Nm3 mit Elektrofilterbetrieb werden angestrebt.
    • Ein hoher Wirkungsgrad von bis zu 98% (bezogen auf die zugeführte Brennstoffenergie (Heizwert) soll erreicht werden.
  • Weiter kann man berücksichtigen, dass der Betrieb der Anlage optimiert sein soll. Beispielsweise soll eine einfache Entaschung, einfache Reinigung oder eine einfache Wartung ermöglicht werden.
  • Zudem sollte eine hohe Anlagenverfügbarkeit vorhanden sein.
  • Dabei kann/können sich die vorstehend genannte Aufgabe oder die potentiellen Einzelproblemstellungen auch auf einzelne Teilaspekte der Gesamtanlage beziehen, beispielsweise auf die Brennkammer, den Wärmetauscher oder den elektrische Filtereinrichtung.
  • Diese Aufgabe(n) wird/werden durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Weitere Aspekte und vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist Biomasse-Heizanlage zur Verfeuerung von Brennstoff in Form von Pellets und/oder Hackgut vorgesehen, die Biomasse-Heizanlage, aufweisend das Folgende:
    einen Kessel mit einer Brenneinrichtung, einen Wärmetauscher mit einer Mehrzahl von Kesselrohren, eine Reinigungseinrichtung, welche das Folgende aufweist: eine Antriebseinheit zum Antrieb der Reinigungseinrichtung, ein Kurbelelement, das über einen Freilauf mit der Antriebseinheit gekoppelt ist, wobei die Antriebseinheit das Kurbelelement in einer Drehrichtung antreiben kann, ein Schubglied, das hin- und her bewegbar vorgesehen ist und das mit dem Kurbelelement gekoppelt ist; zumindest eine Reinigungswelle, die mit dem Schubglied wirkverbunden gekoppelt ist, zumindest ein Reinigungselement, das mit der Reinigungswelle wirkverbunden angeordnet ist; wobei die Reinigungseinrichtung derart eingerichtet ist, dass das Schubglied bei Drehung des Kurbelelements in Drehrichtung durch die Antriebseinheit in einer Schubrichtung verschoben wird; und das Schubglied, nach dem Überschreiten einer vorbestimmten Kurbeldrehposition des Kurbelelements, in einer Impulsrichtung, die der Schubrichtung entgegengesetzt ist, verschoben wird.
  • Gemäß einer Weiterbildung des Vorstehenden ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, wobei die Reinigungseinrichtung (9) derart eingerichtet ist, dass die Bewegung des Schubglieds in Impulsrichtung nicht durch die Antriebseinheit erfolgt.
  • Gemäß einer Weiterbildung des Vorstehenden ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, wobei die Reinigungseinrichtung (9) derart eingerichtet ist, dass die Bewegung des Schubglieds in Impulsrichtung durch ein Drehmoment der Reinigungswelle bewirkt wird.
  • Gemäß einer Weiterbildung des Vorstehenden ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, wobei das zumindest eine Reinigungselement bis zum Erreichen der vorbestimmten Kurbeldrehposition durch die Drehung des Kurbelelements angehoben wird, und das zumindest eine Reinigungselement nach dem Überschreiten der vorbestimmten Kurbeldrehposition aufgrund des Eigengewichts des zumindest einen Reinigungselements beschleunigt o oder schlagartig herabfällt.
  • Gemäß einer Weiterbildung des Vorstehenden ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, wobei die Reinigungseinrichtung derart eingerichtet ist, dass die Bewegung des Schubglieds in Schubrichtung zumindest annähernd gleichförmig erfolgt.
  • Gemäß einer Weiterbildung des Vorstehenden ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, wobei die Reinigungseinrichtung derart eingerichtet ist, dass die Bewegung des Schubglieds in Impulsrichtung beschleunigt erfolgt.
  • Biomasse-Heizanlage gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei das Schubglied eine Öffnung für einen Kurbelfortsatz des Kurbelelements aufweist.
  • Gemäß einer Weiterbildung des Vorstehenden ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, wobei das Schubglied zur beweglichen Führung des Schubglieds zumindest ein längliches Führungsloch zur Aufnahme zumindest eines Führungszapfens aufweist.
  • Gemäß einer Weiterbildung des Vorstehenden ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, wobei das Schubglied geradlinig hin- und her bewegbar angeordnet ist.
  • Gemäß einer Weiterbildung des Vorstehenden ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, wobei die zumindest eine Reinigungswelle einen Hebel mit einem Hebelzapfen an einem bezüglich der Reinigungswelle distalen Ende des Hebels aufweist; und das Schubglied zumindest ein längliches Hebelzapfenloch zur beweglichen Aufnahme des Hebelzapfens aufweist.
  • Gemäß einer Weiterbildung des Vorstehenden ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, wobei das zumindest eine Reinigungselement zumindest einen Turbulator, vorzugsweise einen Spiralturbulator und/oder einen Bandturbulator, ist, der bzw. die in zumindest einem Kesselrohr des Wärmetauschers vorgesehen ist oder sind.
  • Gemäß einer Weiterbildung des Vorstehenden ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, wobei die Reinigungseinrichtung derart eingerichtet ist, dass der Freilauf das Drehmoment des Motors in Drehrichtung des Kurbelelements überträgt; und der Freilauf bei Überschreiten der vorbestimmten Kurbeldrehposition des Kurbelelements eine Weiterdrehung des Kurbelelements in Drehrichtung freigibt.
  • Gemäß einer Weiterbildung des Vorstehenden ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, wobei das Schubglied einen Anschlag als Endanschlag für die Bewegung in Impulsrichtung aufweist.
  • Gemäß einer Weiterbildung des Vorstehenden ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, wobei eine Öffnung des Schubglieds zur Aufnahme einer Laufrolle des Kurbelfortsatzes vorgesehen ist.
  • Dabei kann die Öffnung in einer Richtung der Öffnung einen Durchmesser aufweisen, der in etwa dem Kurbelradius zuzüglich dem Radius der Laufrolle (oder des Kurbelfortsatzes) entspricht; und es kann die Öffnung in einer anderen Richtung, die senkrecht zu der einen Richtung ist, einen Durchmesser aufweisen, der kleiner als etwa der Kurbelradius zuzüglich dem Radius der Laufrolle (oder des Kurbelfortsatzes) ist.
  • Gemäß einer Weiterbildung des Vorstehenden ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, wobei die Öffnung des Schubglieds eine Stufe aufweist, die durch die Laufrolle bei Erreichen der vorbestimmten Kurbeldrehposition überschritten wird.
  • Gemäß einer Weiterbildung des Vorstehenden ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, diese weiter aufweisend: ein Dämpfungselement, vorzugsweise eine Feder, welches derart angeordnet ist, dass das Dämpfungselement die Bewegung des Schubglieds in Schubrichtung dämpft.
  • Gemäß einer Weiterbildung des Vorstehenden ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, wobei: eine Kontraktions- und Expansionsrichtung des Dämpfungselements zumindest annähernd parallel zur Richtung der Hin- und Herbewegung des Dämpfungselements vorgesehen ist.
  • Gemäß einer Weiterbildung des Vorstehenden ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, wobei das Schubglied plattenförmig vorgesehen ist, und/oder wobei ein Ende der zumindest einen Reinigungswelle als Führungszapfen zur Aufnahme in längliches Führungsloch dient.
  • Gemäß einer Weiterbildung des Vorstehenden ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, diese weiterhin aufweisend: eine elektrostatische Filtereinrichtung mit einer Sprühelektrode und einem Reinigungskäfig als Gegenelektrode, wobei das Reinigungselement ein Schlaghebel ist; und wobei der Schlaghebel mit der Reinigungswelle wirkverbunden ist und derart angeordnet sind, dass der Schlaghebel bei der ruckartigen Drehung der Reinigungswelle an die Sprühelektrode zur Reinigung anschlägt.
  • Gemäß einer Weiterbildung des Vorstehenden ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, wobei ein Sensor, beispielsweise ein induktiver Positionsschalter, zur Erfassung der Position oder der Endstellung des Schubglieds vorgesehen ist.
  • Gemäß einer Weiterbildung des Vorstehenden ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, wobei eine Ascheaustragungsschnecke der Biomasse-Heizanlage ebenso durch die Antriebseinheit angetrieben wird.
  • Die strukturellen Merkmale, Funktionen und Vorteile der vorstehenden Aspekte sind in der nachstehenden Beschreibung mit Hilfe beispielhafter Ausführungsformen näher beschrieben.
  • Die folgenden Aspekte der vorliegenden Offenbarung sind mit den vorhergehenden beliebig kombinierbar. Damit kann die Biomasse-Heizanlage in Synergie mit der optimierten Reinigungseinrichtung nochmals verbessert werden.
  • Gemäß einem weiteren allgemeinen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine Biomasse-Heizanlage zur Verfeuerung von Brennstoff in Form von Pellets und/oder Hackgut offenbart, die Anlage aufweisend das Folgende: einen Kessel mit einer Brenneinrichtung, einen Wärmetauscher mit einer Mehrzahl von Kesselrohren, wobei die Brenneinrichtung das Folgende aufweist: eine Brennkammer mit einem Drehrost, mit einer Primärverbrennungszone und mit einer Sekundärverbrennungszone; wobei die Primärverbrennungszone durch eine Mehrzahl von Brennkammersteinen seitlich und durch den Drehrost von unten umfasst ist; wobei in den Brennkammersteinen eine Mehrzahl von Sekundärluftdüsen vorgesehen ist; wobei die Primärverbrennungszone und die Sekundärverbrennungszone auf der Höhe der Sekundärluftdüsen separiert werden; wobei die Sekundärverbrennungszone der Brennkammer strömungstechnisch mit einem Eintritt des Wärmetauschers verbunden ist.
  • Gemäß einer Weiterbildung des Vorstehenden ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, wobei die Sekundärluftdüsen derart angeordnet sind, dass in der Sekundärverbrennungszone der Brennkammer Wirbelströmungen eines Rauchgas-Luft Gemischs aus Sekundärluft und Verbrennungsluft um eine vertikale Mittenachse entstehen, wobei die Wirbelströmungen zur Verbesserung der Vermischung des Rauchgas-Luft Gemischs führen.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, wobei die Sekundärluftdüsen in den Brennkammersteinen jeweils als zylindrische oder kegelstumpfförmige Öffnung in den Brennkammersteinen mit einem kreisförmigen oder elliptischen Querschnitt ausgebildet sind, wobei der kleinste Durchmesser der jeweiligen Öffnung kleiner als dessen maximale Länge ist.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, wobei die Brenneinrichtung mit der Brennkammer derart eingerichtet ist, dass die Wirbelströmungen nach dem Austritt aus der Brennkammerdüse spiralförmige Rotationsströmungen ausbilden, die bis zu einer Brennkammerdecke der Brennkammer reichen.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, wobei die Sekundärluftdüsen in der Brennkammer auf zumindest annähernd der gleichen Höhe angeordnet sind; und die Sekundärluftdüsen mit deren Mittenachse derart angeordnet und/oder (je nach Art der Düse) derart ausgerichtet sind, dass die Sekundärluft azentrisch zu einem Symmetriemittelpunkt der Brennkammer eingeleitet wird.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, wobei die Anzahl der Sekundärluftdüsen zwischen 8 und 14 liegt; und/oder die Sekundärluftdüsen eine Mindestlänge von mindestens 50 mm bei einem Innendurchmesser von 20 bis 35 mm aufweisen.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, wobei
    die Brennkammer in der Sekundärverbrennungszone eine Brennkammerschräge aufweist, welche den Querschnitt der Sekundärverbrennungszone in Richtung des Eintritts des Wärmetauschers verkleinert.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, wobei die Brennkammer in der Sekundärverbrennungszone eine Brennkammerdecke aufweist, die in Richtung des Eintritts des Wärmetauschers nach oben geneigt vorgesehen ist, und die den Querschnitt der Brennkammer in Richtung des Eintritts verkleinert.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, wobei die Brennkammerschräge und die geneigte Brennkammerdecke einen Trichter ausbilden, dessen kleineres Ende in den Eintritt des Wärmetauschers mündet.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, wobei die Primärverbrennungszone und zumindest ein Teil der Sekundärverbrennungszone einen ovalen Horizontalquerschnitt aufweist; und/oder die Sekundärluftdüsen derart angeordnet sind, dass diese die Sekundärluft tangential in die Brennkammer einleiten.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, wobei die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit der Sekundärluft in den Sekundärluftdüsen zumindest 8 m/s, vorzugsweise zumindest 10 m/s, beträgt.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, wobei die Brennkammersteine einen modularen Aufbau aufweisen; und jeweils zwei halbkreisförmige Brennkammersteine einen geschlossenen Ring bilden, um die Primärverbrennungszone und/oder einen Teil der Sekundärverbrennungszone auszubilden; und zumindest zwei Ringe an Brennkammersteinen aufeinandergestapelt angeordnet sind.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, wobei der Wärmetauscher in den Kesselrohren angeordnete Spiralturbulatoren aufweist, die sich über die gesamte Länge der Kesselrohre erstrecken; und der Wärmetauscher in den Kesselrohren angeordnete Bandturbulatoren aufweist, die sich zumindest über die halbe Länge der Kesselrohre erstrecken.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine Biomasse-Heizanlage zur Verfeuerung von Brennstoff in Form von Pellets und/oder Hackgut vorgesehen, welche das Folgende aufweist: einen Kessel mit einer Brenneinrichtung, einen Wärmetauscher mit einer, vorzugsweise bündelartig angeordneten, Mehrzahl von Kesselrohren, wobei die Brenneinrichtung das Folgende aufweist: eine Brennkammer mit einem Drehrost und mit einer Primärverbrennungszone und mit einer, bevorzugt über der Primärverbrennungszone vorgesehenen, Sekundärverbrennungszone; wobei die Primärverbrennungszone durch eine Mehrzahl von Brennkammersteinen seitlich und durch den Drehrost von unten umfasst ist; wobei Sekundärverbrennungszone eine Brennkammerdüse bzw. ein Durchbrandloch beinhaltet; wobei die Sekundärverbrennungszone der Brennkammer strömungstechnisch mit einem Eintritt bzw. Einlass des Wärmetauschers verbunden ist; wobei die Primärverbrennungszone einen ovalen Horizontalquerschnitt aufweist.
  • Bei bündelartig angeordneten Kesselrohren kann es sich um eine Mehrzahl von parallel zueinander angeordneten Kesselrohren mit zumindest weitgehend gleicher Länge handeln. Vorzugsweise können die Einlassöffnungen und die Auslassöffnungen aller Kesselrohre jeweils in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sein; d. h., die Einlassöffnungen und die Auslassöffnungen aller Kesselrohre liegen auf gleicher Höhe.
  • "Horizontal" kann vorliegend eine ebene Ausrichtung einer Achse oder eines Querschnitts in der Annahme bezeichnen, dass der Kessel ebenso horizontal aufgestellt ist, womit beispielsweise das Erdniveau die Referenz sein kann. Alternativ kann "horizontal" vorliegend "parallel" zur Grundebene des Kessels 11 bedeuten, so wie diese üblicherweise definiert wird. Weiter alternativ kann, insbesondere bei einem Fehlen einer Bezugsebene, "horizontal" lediglich als "parallel" zur Verbrennungsebene des Rosts verstanden werden.
  • Weiter kann die Primärverbrennungszone einen ovalen Querschnitt aufweisen.
  • Der ovale Horizontalquerschnitt weist keine Totecken auf, und weist somit eine verbesserte Luftdurchströmung und die Möglichkeit zu einer weitgehend unbehinderten Wirbelströmung auf. Folglich weist die Biomasse-Heizanlage eine verbesserte Effizienz und niedrigere Emissionen auf. Zudem ist der ovale Querschnitt gut an die Art der Brennstoffverteilung bei seitlicher Zufuhr dessen und der daraus entstehenden Geometrie des Brennstoffbetts auf dem Rost angepasst. Ein ideal "runder" Querschnitt ist ebenso möglich, jedoch nicht so gut an die Geometrie der Brennstoffverteilung und auch der Strömungstechnik der Wirbelströmung angepasst, wobei die Asymmetrie des Ovals gegenüber der "ideal" Kreisförmigen Querschnittsform der Brennkammer eine verbesserte Ausbildung einer turbulenten Strömung in der Brennkammer ermöglicht.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, wobei der Horizontalquerschnitt der Primärverbrennungszone über eine Höhe von zumindest 100 mm zumindest annähernd gleichbleibend vorgesehen ist. Auch dies dient der unbehinderten Ausbildung der Strömungsprofile in der Brennkammer.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, wobei die Brennkammer in der Sekundärverbrennungszone eine Brennkammerschräge aufweist, welche den Querschnitt der Sekundärverbrennungszone in Richtung des Eintritts bzw. des Einlasses des Wärmetauschers verjüngt.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, wobei der Drehrost ein erstes Drehrostelement, ein zweites Drehrostelement und ein drittes Drehrostelement aufweist, die jeweils um eine horizontal angeordnete Lagerachse um zumindest 90 Grad, vorzugsweise zumindest 160 Grad, noch weiter bevorzugt um zumindest 170 Grad, drehbar angeordnet sind; wobei die Drehrostelemente eine Verbrennungsfläche für den Brennstoff ausbilden; wobei die Drehrostelemente Öffnungen für die Luft zur Verbrennung aufweisen, wobei das erste Drehrostelement und das dritte Drehrostelement in ihrer Verbrennungsfläche identisch ausgebildet sind.
  • Die Öffnungen in den Drehrostelementen sind dabei bevorzugt schlitzförmig und in einem regelmäßigen Muster ausgebildet, um eine gleichmäßige Luftdurchströmung des Brennstoffbetts sicherzustellen.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, wobei das zweite Drehrostelement formschlüssig zwischen dem ersten Drehrostelement und dem dritten Drehrostelement angeordnet ist und Rostlippen aufweist, die derart angeordnet sind, dass diese in Horizontallage aller drei Drehrostelemente zumindest weitgehend dichtend an dem ersten Drehrostelement und dem dritten Drehrostelement anliegen.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, wobei der Drehrost weiter eine Drehrostmechanik aufweist, die derart konfiguriert ist, dass diese das dritte Drehrostelement unabhängig von dem ersten Drehrostelement und dem zweiten Drehrostelement drehen kann, und dass diese das erste Drehrostelement und das zweite Drehrostelement gemeinsam aber unabhängig von dem dritten Drehrostelement drehen kann.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, wobei die Verbrennungsfläche der Drehrostelemente eine im Wesentlichen ovale oder elliptische Verbrennungsfläche konfiguriert.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, wobei die Drehrostelemente zueinander komplementäre und gekrümmte Seiten aufweisen, wobei vorzugsweise das zweite Drehrostelement jeweils zu dem benachbarten ersten und dritten Drehrostelement konkave Seiten aufweist, und vorzugsweise das erste und dritte Drehrostelement jeweils zu dem zweiten Drehrostelement hin eine konvexe Seite aufweisen.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, wobei die Brennkammersteine einen modularen Aufbau aufweisen; und jeweils zwei halbkreisförmige Brennkammersteine einen geschlossenen Ring bilden, um die Primärverbrennungszone auszubilden; und zumindest zwei Ringe an Brennkammersteinen aufeinandergestapelt angeordnet sind.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, wobei der Wärmetauscher in den Kesselrohren angeordnete Spiralturbulatoren aufweist, die sich über die gesamte Länge der Kesselrohre erstrecken; und der Wärmetauscher in den Kesselrohren angeordnete Bandturbulatoren aufweist, die sich zumindest über die halbe Länge der Kesselrohre erstrecken. Dabei können die Bandturbulatoren bevorzugt in oder innerhalb der Spiralturbulatoren angeordnet sein. Insbesondere können die Bandturbulatoren in den Spiralturbulatoren integriert angeordnet sein. Dabei können sich die Bandturbulatoren bevorzugt über eine Länge von 30 bis 70% der Länge der Spiralturbulatoren erstrecken.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, wobei der Wärmetauscher zwischen 18 und 24 Kesselrohre mit jeweils einem Durchmesser von 70 bis 85 mm und einer Wandstärke von 3 bis 4 mm aufweist.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, wobei der Kessel eine integriert angeordnete elektrostatische Filtereinrichtung aufweist, die eine Sprühelektrode und eine die Sprühelektrode umgebende Niederschlagselektrode und einen Käfig bzw. eine käfigförmige Abreinigungseinrichtung aufweist; wobei der Kessel weiter eine mechanisch betätigbare Reinigungseinrichtung mit einem Schlaghebel mit einem Anschlagkopf aufweist; wobei die Reinigungseinrichtung derart eingerichtet ist, dass diese die (Sprüh-) Elektrode an deren Ende mit dem Anschlagkopf anschlagen kann, so dass eine Stoßwelle durch die Elektrode und/oder eine Transversalschwingung der (Sprüh-)Elektrode erzeugt wird, um die Elektrode von Verunreinigungen abzureinigen. Als Material für die Elektrode ist ein Stahl vorgesehen, der durch den Anschlagkopf in Schwingungen (longitudinal und/oder transversal und/oder Stoßwelle) versetzt werden kann. Hierzu kommt beispielsweise Federstahl und/oder Chromstahl in Frage. Der Werkstoff des Federstahls kann vorzugsweise ein austenitischer Chrom-Nickel-Stahl, beispielsweise 1.4310 sein. Weiter kann der Federstahl bombiert ausgeführt sein. Die käfigförmige Abreinigungseinrichtung kann weiter entlang der Wand der elektrostatischen Filtereinrichtung zum Abreinigen der Niederschlagselektrode hin- und herbewegt werden.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, wobei eine in den Kessel im kalten Bereich integrierte Reinigungseinrichtung vorgesehen ist, die derart konfiguriert ist, dass diese die Kesselrohre des Wärmetauschers durch eine Aufund Abwärtsbewegung von in den Kesselrohren vorgesehenen Turbulatoren abreinigen kann. Die Auf- und Abwärtsbewegung kann auch als Hin- und Herbewegung der Turbulatoren in den Kesselrohren in Längsrichtung der Kesselrohre verstanden werden.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist eine Biomasse-Heizanlage vorgesehen, wobei in der Brennkammer über dem Drehrost eine Glutbetthöhenmessmechanik angeordnet ist; wobei die Glutbetthöhenmessmechanik eine auf einer Drehachse angebrachte Brennstoff-Niveauklappe mit einer Hauptfläche aufweist; wobei eine Oberflächenparallele der Hauptfläche der Brennstoff-Niveauklappe winklig zu einer Mittenachse der Drehachse vorgesehen ist, wobei der Winkel vorzugsweise größer 20 Grad ist.
  • Obschon alle vorstehenden Einzelmerkmale und Details eines Aspekts der Erfindung und der Weiterbildungen dieses Aspekts in Zusammenhang mit der Biomasse-Heizanlage beschrieben sind, so sind diese Einzelmerkmale und Details auch als solche unabhängig von der Biomasse-Heizanlage offenbart.
  • Beispielsweise ist eine Brennkammerschräge einer Sekundärverbrennungszone einer Brennkammer mit deren hierin genannten Merkmalen und Eigenschaften offenbart, die (lediglich) für eine Biomasse-Heizanlage geeignet ist. Insofern ist eine Brennkammerschräge für eine Sekundärverbrennungszone einer Brennkammer einer Biomasse-Heizanlage mit den hierin genannten Merkmalen und Eigenschaften offenbart.
  • Weiter ist beispielsweise ein Drehrost für eine Brennkammer einer Biomasse-Heizanlage mit dessen hierin genannten Merkmalen und Eigenschaften offenbart.
  • Weiter ist beispielsweise eine Mehrzahl von Brennkammersteinen für eine Brennkammer einer Biomasse-Heizanlage mit deren hierin genannten Merkmalen und Eigenschaften offenbart.
  • Weiter ist beispielsweise eine integriert angeordnete elektrostatische Filtereinrichtung für eine Biomasse-Heizanlage mit deren hierin genannten Merkmalen und Eigenschaften offenbart.
  • Weiter ist beispielsweise eine Mehrzahl von Kesselrohren für eine Biomasse-Heizanlage mit deren hierin genannten Merkmalen und Eigenschaften offenbart.
  • Weiter ist beispielsweise eine Glutbetthöhenmessmechanik für eine Biomasse-Heizanlage mit deren hierin genannten Merkmalen und Eigenschaften offenbart.
  • Weiter ist beispielsweise ebenso, als solche, eine Brennstoff-Niveauklappe für eine Biomasse-Heizanlage mit deren hierin genannten Merkmalen und Eigenschaften offenbart.
  • Die erfindungsgemäße Biomasse-Heizanlage wird nachfolgend in beispielhaften Ausführungsbeispielen und einzelnen Aspekten anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert:
    • Fig. 1
    zeigt eine dreidimensionale Überblicksansicht einer Biomasse-Heizanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
    Fig. 2
    zeigt eine Querschnittsansicht durch die Biomasse-Heizanlage der Fig. 1, welche entlang einer Schnittlinie SL1 vorgenommen wurde und welche aus der Seitenansicht S betrachtet dargestellt ist;
    Fig. 3
    zeigt ebenso eine Querschnittsansicht durch die Biomasse-Heizanlage der Fig. 1 mit einer Darstellung des Strömungsverlaufs, wobei die Querschnittsansicht entlang einer Schnittlinie SL1 vorgenommen wurde und aus der Seitenansicht S betrachtet dargestellt ist;
    Fig. 4
    zeigt eine Teilansicht der Fig. 2, die eine Brennkammergeometrie des Kessels der Fig. 2 und Fig. 3 darstellt;
    Fig. 5
    zeigt eine Schnittansicht durch den Kessel bzw. die Brennkammer des Kessels entlang der Vertikalschnittlinie A2 der Fig. 4;
    Fig. 6
    zeigt eine dreidimensionale Schnittansicht auf die Primärverbrennungszone der Brennkammer mit dem Drehrost der Fig. 4;
    Fig. 7
    zeigt entsprechend zur Fig. 6 eine Explosionsdarstellung der Brennkammersteine;
    Fig. 8
    zeigt eine Ausschnitt-Detailansicht der Fig. 2;
    Fig. 9
    zeigt eine Reinigungseinrichtung, mit der sowohl der Wärmetauscher als auch die Filtereinrichtung der Fig. 2 automatisch gereinigt werden können;
    Fig. 10
    zeigt eine Turbulatorhalterung in herausgestellter und vergrößerter Form;
    Fig. 11
    zeigt eine Abreinigungsmechanik in einem ersten Zustand, wobei sich sowohl die Turbulatorhalterungen der Fig. 10 als auch eine Käfighalterung in einer unteren Position befinden;
    Fig. 12
    zeigt die Abreinigungsmechanik in einem zweiten Zustand, wobei sich sowohl die Turbulatorhalterungen der Fig. 10 als auch die Käfighalterung in einer oberen Position befinden;
    Fig. 13
    zeigt eine Querschnittsansicht durch eine Biomasse-Heizanlage 1 gemäß einer Abwandlung der Biomasse-Heizanlage der Fig. 1 und Fig. 2, welche aus der Seitenansicht S betrachtet dargestellt ist;
    Fig. 14
    zeigt eine Draufsicht auf ein freigestelltes Schubglied 74 aus Richtung der Hinterseite der Biomasse-Heizanlage 1 der Fig. 13;
    Fig. 15
    zeigt eine Draufsicht auf ein freigestelltes Schubglied 74 aus Richtung der Hinterseite der Biomasse-Heizanlage 1 der Fig. 13 und Fig. 14 zusammen mit weiteren Anlagenteilen der Biomasse-Heizanlage 1 der Fig. 13;
    Fig. 16
    zeigt eine Hinteransicht der Biomasse-Heizanlage 1 der Fig. 13 und das Schubglied 74 der Fig. 14 und Fig. 15 im Ausgangs- oder Ruhezustand der Reinigungseinrichtung 9;
    Fig. 17
    zeigt eine Ansicht von schräg hinten auf die Biomasse-Heizanlage 1 der Fig. 13 im Ausgangs- oder Ruhezustand mit Einblick in die Biomasse-Heizanlage 1;
    Fig. 18
    zeigt eine Hinteransicht der Biomasse-Heizanlage 1 der Fig. 13 und das Schubglied 74 der Fig. 14 und Fig. 15 im Schubzustand der Reinigungseinrichtung 9;
    Fig. 19
    zeigt eine Ansicht von schräg hinten auf die Biomasse-Heizanlage 1 der Fig. 13 im Schubzustand der Reinigungseinrichtung 9 mit Einblick in die Biomasse-Heizanlage 1;
    Fig. 20
    zeigt eine Hinteransicht der Biomasse-Heizanlage 1 der Fig. 13 und das Schubglied 74 der Fig. 14 und Fig. 15 im Maximalhubzustand der Reinigungseinrichtung 9;
    Fig. 21
    zeigt eine Ansicht von schräg hinten auf die Biomasse-Heizanlage 1 der Fig. 13 im Schubzustand der Reinigungseinrichtung 9 mit Einblick in die Biomasse-Heizanlage 1;
    Fig. 22
    zeigt eine Hinteransicht der Biomasse-Heizanlage 1 der Fig. 13 und das Schubglied 74 der Fig. 14 und Fig. 15 im Fallzustand der Reinigungseinrichtung 9;
    Fig. 23
    zeigt eine Ansicht von schräg hinten auf die Biomasse-Heizanlage 1 der Fig. 13 im Fallzustand der Reinigungseinrichtung 9 mit Einblick in die Biomasse-Heizanlage 1;
    Fig. 24
    zeigt eine alternative Ausführung des Schubglieds 74.
    BESCHREIBUNG VON BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen lediglich beispielhaft offenbart. Ausführungsformen und darin verwendete Begriffe sollen jedoch nicht dazu dienen, die vorliegende Offenbarung auf bestimmte Ausführungsformen zu beschränken, und sie sollte so ausgelegt werden, dass sie verschiedene Änderungen, Äquivalente und/oder Alternativen gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beinhaltet.
  • Sollten in der Beschreibung allgemeinere Begriffe für in den Figuren dargestellte Merkmale oder Elemente verwendet werden, so ist beabsichtigt, dass für den Fachmann nicht nur das spezielle Merkmal oder Element in den Figuren offenbart ist, sondern auch die allgemeinere technische Lehre.
  • In Bezug auf die Beschreibung der Figuren können die gleichen Bezugszeichen in den einzelnen Figuren verwendet werden, um auf ähnliche oder technisch entsprechende Elemente zu verweisen. Weiter können der Übersichtlichkeit halber in einzelnen Detailoder Ausschnittsansichten mehr Elemente oder Merkmale mit Bezugszeichen dargestellt sein, als in den Überblicksansichten. Dabei ist davon auszugehen, dass diese Elemente oder Merkmale auch entsprechend in den Überblicksdarstellungen offenbart sind, auch wenn diese dort nicht explizit aufgeführt sind.
  • Es ist zu verstehen, dass eine Singularform eines Substantivs, das einem Gegenstand entspricht, eines oder mehrere der Dinge beinhalten kann, es sei denn, der betreffende Kontext weist eindeutig auf etwas anderes hin.
  • In der vorliegenden Offenbarung kann ein Ausdruck wie "A oder B", "mindestens einer von "A oder/und B" oder "einer oder mehrere von A oder/und B" alle möglichen Kombinationen von zusammen aufgeführten Merkmalen beinhalten. Ausdrücke wie "erster", "zweiter", "primär" oder "sekundär", die hierin verwendet werden, können verschiedene Elemente unabhängig von ihrer Reihenfolge und/oder Bedeutung darstellen und schränken entsprechende Elemente nicht ein. Wenn beschrieben wird, dass ein Element (z. B. ein erstes Element) "funktionsfähig" oder "kommunikativ" mit einem anderen Element (z. B. einem zweiten Element) gekoppelt oder verbunden ist, kann das Element direkt mit dem anderen Element verbunden werden oder mit dem anderen Element über ein anderes Element (z. B. ein drittes Element) verbunden werden.
  • Ein in der vorliegenden Offenbarung verwendeter Ausdruck "konfiguriert zu" (oder "eingerichtet") kann beispielsweise durch "geeignet für", "geeignet zu", "angepasst zu", "gemacht zu", "fähig zu" oder "entworfen zu" ersetzt werden, je nach dem technisch Möglichen. Alternativ kann in einer bestimmten Situation ein Ausdruck "Vorrichtung konfiguriert zu" oder "eingerichtet zu" bedeuten, dass die Vorrichtung zusammen mit einer anderen Vorrichtung oder Komponente arbeiten kann, oder eine entsprechende Funktion ausführen kann.
  • Alle Größenangaben, welche in "mm" angegeben sind, sind als ein Größenbereich von +- 1 mm um den angegebenen Wert zu verstehen, sofern nicht eine andere Toleranz oder andere Bereiche explizit angegeben sind. Alle Maß- und Größenangaben sind lediglich beispielhaft.
  • Anzumerken ist, dass die vorliegenden Einzelaspekte, beispielsweise der Drehrost, die Brennkammer oder die Filtereinrichtung gesondert von bzw. getrennt von der Biomasse-Heizanlage hierin als Einzelteile oder Einzelvorrichtungen offenbart sind. Es ist dem Fachmann also klar, dass auch einzelne Aspekte oder Anlagenteile hierin auch für sich genommen offenbart sind. Vorliegend sind die einzelnen Aspekte oder Anlageteile insbesondere in den durch Klammern gekennzeichneten Unterkapiteln offenbart. Es ist vorgesehen, dass diese einzelnen Aspekte auch gesondert beansprucht werden können.
  • Weiter sind der Übersichtlichkeit halber in den Figuren nicht alle Merkmale und Elemente, insbesondere wenn sich diese wiederholen, einzeln bezeichnet. Es sind vielmehr die Elemente und Merkmale jeweils exemplarisch bezeichnet. Analoge oder gleiche Elemente sind dann als solche zu verstehen.
    • (Biomasse-Heizanlage)
  • Fig. 1 zeigt eine dreidimensionale Überblicksansicht der Biomasse-Heizanlage 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
  • Der Pfeil V bezeichnet in den Figuren die Vorderansicht der Anlage 1, und der Pfeil S bezeichnet in den Figuren die Seitenansicht der Anlage 1.
  • Die Biomasse-Heizanlage 1 weist einen Kessel 11 auf, der auf einem Kesselfuß 12 gelagert ist. Der Kessel 11 weist ein Kesselgehäuse 13, beispielsweise aus Stahlblech, auf.
  • Im vorderen Teil des Kessels 11 befindet sich eine Brenneinrichtung 2 (nicht dargestellt), die über eine erste Wartungsöffnung mit einem Verschluss 21 erreicht werden kann. Eine Drehmechanikhalterung 22 für einen Drehrost 25 (nicht dargestellt) lagert eine Drehmechanik 23, mit der Antriebskräfte auf Lagerachsen 81 des Drehrosts 25 übertragen werden können.
  • Im Mittelteil des Kessels 11 befindet sich ein Wärmetauscher 3 (nicht dargestellt), der von oben über eine zweite Wartungsöffnung mit einem Verschluss 31 erreicht werden kann.
  • Im Hinterteil des Kessels 11 befindet sich eine optionale Filtereinrichtung 4 (nicht dargestellt) mit einer Elektrode 44 (nicht dargestellt), die mit einer isolierenden Elektrodenhalterung 43 aufgehängt ist, und die über eine Elektrodenversorgungsleitung 42 unter Spannung gesetzt wird. Das Abgas der Biomasse-Heizanlage 1 wird über einen Abgasausgang 41 abgeführt, der der Filtereinrichtung 4 strömungstechnisch nachgelagert angeordnet ist. Hier kann ein Ventilator vorgesehen sein.
  • Hinter dem Kessel 11 ist eine Rezirkulationseinrichtung 5 vorgesehen, die einen Teil des Abgases über Rezirkulationskanäle 51, 53 und 54 und Klappen 52 zur Kühlung des Verbrennungsvorgangs und Wiederverwendung beim Verbrennungsvorgang rezirkuliert.
  • Weiter weist die Biomasse-Heizanlage 1 eine Brennstoffzufuhr 6 auf, mit der der Brennstoff kontrolliert zu der Brenneinrichtung 2 in die Primärverbrennungszone 26 von der Seite auf den Drehrost 25 befördert wird. Die Brennstoffzufuhr 6 weist eine Zellradschleuse 61 mit einer Brennstoffzufuhröffnung 65 auf, wobei die Zellradschleuse 61 einen Antriebsmotor 66 mit einer Ansteuerelektronik aufweist. Eine von dem Antriebsmotor 66 angetriebene Achse 62 treibt eine Übersetzungsmechanik 63 an, die eine (nicht dargestellte) Brennstoff-Förderschnecke 67 antreiben kann, so dass der Brennstoff in einem Brennstoff-Zufuhrkanal 64 zu der Brenneinrichtung 2 gefördert wird.
  • Im unteren Teil der Biomasse-Heizanlage 1 ist eine Ascheabfuhreinrichtung 7 vorgesehen, welche eine Ascheaustragungsschnecke 71 in einem Ascheaustragungskanal aufweist, die von einer Antriebseinheit 72 betrieben wird.
  • Fig. 2 zeigt nun eine Querschnittsansicht durch die Biomasse-Heizanlage 1 der Fig. 1, welche entlang einer Schnittlinie SL1 vorgenommen wurde und welche aus der Seitenansicht S betrachtet dargestellt ist. In der korrespondierenden Fig. 3, welche den gleichen Schnitt wie Fig. 2 darstellt, sind der Übersichtlichkeit halber die Strömungen des Rauchgases, und strömungstechnische Querschnitte schematisch dargestellt. Zu Fig. 3 anzumerken ist, dass einzelne Bereiche im Vergleich zu der Fig. 2 abgeblendet dargestellt sind. Dies dient nur der Übersichtlichkeit der Fig. 3 und der Sichtbarkeit der Strömungspfeile S5, S6 und S7.
  • Von links nach rechts sind in Fig. 2 die Brenneinrichtung 2, der Wärmetauscher 3 und eine (optionale) Filtereinrichtung 4 des Kessels 11 vorgesehen. Der Kessel 11 ist auf dem Kesselfuß 12 gelagert, und weist ein mehrwandiges Kesselgehäuse 13 auf, in welchem Wasser oder ein anderes fluides Wärmetauschmedium zirkulieren kann. Zur Zufuhr und Abfuhr des Wärmetauschmediums ist eine Wasserzirkulationseinrichtung 14 mit Pumpe, Ventilen, Leitungen, etc. vorgesehen.
  • Die Brenneinrichtung 2 weist eine Brennkammer 24 auf, in der im Kern der Verbrennungsprozess des Brennstoffes stattfindet. Die Brennkammer 24 weist einen mehrteiligen Drehrost 25 auf, auf dem das Brennstoffbett 28 aufliegt. Der mehrteilige Drehrost 25 ist mittels einer Mehrzahl von Lagerachsen 81 drehbar gelagert angeordnet.
  • Weiter bezugnehmend auf Fig. 2 ist die Primärverbrennungszone 26 der Brennkammer 24 durch (eine Mehrzahl von) Brennkammersteine(n) 29 umfasst, womit die Brennkammersteine 29 die Geometrie der Primärverbrennungszone 26 definieren. Der Querschnitt der Primärverbrennungszone 26 (beispielsweise) entlang der Horizontalschnittlinie A1 ist im Wesentlichen oval (beispielsweise 380 mm +- 60mm x 320 mm +- 60 mm; dabei ist anzumerken, dass einige der vorstehenden Größenkombinationen auch einen kreisförmigen Querschnitt ergeben können). Der Pfeil S1 gibt die Strömung aus der Sekundärluftdüse 291 schematisch wieder, wobei diese Strömung (diese ist rein schematisch dargestellt) einen durch die Sekundärluftdüsen 291 induzierten Drall aufweist, um die Durchmischung des Rauchgases zu verbessern.
  • Dabei sind die Sekundärluftdüsen 291 derart ausgestaltet, dass diese die (durch die Brennkammersteine 29 vorgewärmte) Sekundärluft tangential in die Brennkammer 24 mit ihrem dortigen ovalen Querschnitt einführen. Damit entsteht eine wirbel- oder drallbehaftete Strömung S1, die grob spiral- oder helixförmig nach oben verläuft. In anderen Worten wird eine nach oben verlaufende und um eine Vertikalachse rotierende Spiralströmung ausgebildet.
  • Die Brennkammersteine 29 bilden die Innenverkleidung der Primärverbrennungszone 26 aus, speichern Wärme und sind dem Feuer direkt ausgesetzt. Damit schützen die Brennkammersteine 29 auch das weitere Material der Brennkammer 24, beispielsweise Gusseisen, vor der direkten Flammeneinwirkung in der Brennkammer 24. Die Brennkammersteine 29 sind vorzugsweise an die Form des Rosts 25 angepasst. Die Brennkammersteine 29 weisen weiter Sekundärluft- bzw. Rezirkulationsdüsen 291 auf, die das Rauchgas in die Primärverbrennungszone 26 zur erneuten Teilnahme am Verbrennungsprozess und insbesondere zur bedarfsweisen Kühlung rezirkulieren. Die Sekundärluftdüsen 291 sind dabei nicht auf die Mitte der Primärverbrennungszone 26 ausgerichtet, sondern azentrisch ausgerichtet, um einen Drall der Strömung in der Primärverbrennungszone 26 zu bewirken (d. h., eine Drall- und Wirbelströmung). Die Brennkammersteine 29 werden später noch eingehender erläutert. Eine Isolation 311 ist am Kesselrohreintritt vorgesehen. Die ovale Querschnittsform der Primärverbrennungszone 26 (und der Düse) sowie die Länge und Lage der Sekundärluftdüsen 291 begünstigen die Ausbildung und den Erhalt einer Wirbelströmung vorzugsweise bis zur Decke der Brennkammer 24 vorteilhaft.
  • Eine Sekundärverbrennungszone 27 schließt sich, entweder auf der Höhe der Brennkammerdüsen 291 (funktional bzw. verbrennungstechnisch betrachtet) oder auf Höhe der Brennkammerdüse 203 (rein strukturell bzw. baulich betrachtet) an die Primärverbrennungszone 26 der Brennkammer 26 an und definiert den Strahlungsteil der Brennkammer 26. In dem Strahlungsteil gibt das bei der Verbrennung entstandene Rauchgas seine Wärmeenergie hauptsächlich durch Wärmestrahlung insbesondere an das Wärmetauschmedium ab, welches sich in den beiden linken Kammern für das Wärmetauschmedium 38 befindet. Die entsprechenden Rauchgasströmungen sind in Fig. 3 durch die Pfeile S2 und S3 rein beispielhaft angegeben. Diese Wirbelströmungen werden eventuell auch leichte Rückströmungen oder weitere Turbulenzen beinhalten, die durch die rein schematischen Pfeile S2 und S3 nicht dargestellt werden. Das Grundprinzip der Strömungsausprägung in der Brennkammer 24 ist dem Fachmann jedoch ausgehend von den Pfeilen S2 und S3 klar bzw. berechenbar.
  • Durch die Sekundärlufteindüsung hervorgerufen, bilden sich in der isolierten bzw. begrenzten Brennkammer 24 ausgeprägt Drall- bzw. Rotations- bzw. Wirbelströmungen aus. Dabei trägt insbesondere die ovale Brennkammergeometrie 24 dazu bei, dass sich die Wirbelströmung ungestört bzw. optimal entwickeln kann.
  • Nach dem Austritt aus der Düse 203, die diese Wirbelströmungen nochmals bündelt, zeigen sich kerzenflammenförmige Rotationsströmungen S2, welche vorteilhaft bis zur Brennkammerdecke 204 reichen können, womit der verfügbare Raum der Brennkammer 24 besser ausgenutzt wird. Dabei sind die Wirbelströmungen auf die Brennkammermitte A2 konzentriert und nutzen das Volumen der Sekundärverbrennungszone 27 ideal aus. Weiter mindert die Einschnürung, die die Brennkammerdüse 203 für die Wirbelströmungen darstellt, die Rotationsströmungen, womit Turbulenzen zur Verbesserung der Durchmischung des Luft- Rauchgasgemischs erzeugt werden. Es findet also eine Quervermischung durch die Einschnürung bzw. Verengung durch die Brennkammerdüse 203 statt. Der Rotationsimpuls der Strömungen bleibt allerdings zumindest teilweise auch oberhalb der Brennkammerdüse 203 erhalten, was die Ausbreitung dieser Strömungen bis zur Brennkammerdecke 204 erhält.
  • Die Sekundärluftdüsen 291 sind in den elliptischen bzw. ovalen Querschnitt der Brennkammer 24 somit derart integriert, dass sie aufgrund ihrer Länge und ihrer Ausrichtung Wirbelströmungen induzieren, die das Rauchgas-Sekundärluftgemisch in Rotation versetzen und dadurch (nochmals durch in Kombination mit der darüber positionierten Brennkammerdüse 203 verbessert) eine vollständige Verbrennung bei minimalem Luftüberschuss und somit maximalem Wirkungsgrad ermöglichen.
  • Dabei ist die Sekundärluftzufuhr derart gestaltet ist, dass diese die heißen Brennkammersteine 29 durch Umströmung derselben kühlt und die Sekundärluft im Gegenzug selbst vorgewärmt wird, wodurch die Ausbrandgeschwindigkeit der Rauchgase beschleunigt wird und die Vollständigkeit des Ausbrandes auch bei extremer Teillast (z. B. 30% der Nennlast) sichergestellt wird.
  • Die erste Wartungsöffnung 21 ist mit einem Dämmmaterial, beispielsweise Vermiculite™, isoliert. Die vorliegende Sekundärverbrennungszone 27 ist derart eingerichtet, dass ein Ausbrand des Rauchgases gewährleistet wird. Die spezielle geometrische Ausgestaltung der Sekundärverbrennungszone 27 wird später noch eingehender erläutert.
  • Nach der Sekundärverbrennungszone 27 strömt das Rauchgas in die Wärmetauscheinrichtung 3, welche ein Bündel von parallel zueinander vorgesehenen Kesselrohren 32 aufweist. In den Kesselrohren 32 strömt das Rauchgas nun abwärts, wie in Fig. 3 durch die Pfeile S4 angegeben. Man kann diesen Teil der Strömung auch als Konvektionsteil bezeichnen, da die Wärmeabgabe des Rauchgases im Wesentlichen an den Kesselrohrwänden über eine erzwungene Konvektion erfolgt. Durch die im Kessel 11 verursachten Temperaturgradienten im Wärmetauschermedium, beispielsweise im Wasser, stellt sich eine natürliche Konvektion des Wassers ein, welche eine Durchmischung des Kesselwassers begünstigt.
  • In den Kesselrohren 32 sind Federturbulatoren 36 und Spiral- bzw. Bandturbulatoren 37 angeordnet, um den Wirkungsgrad der Wärmetauscheinrichtung 4 zu verbessern. Dies wird später noch eingehender erläutert werden.
  • Der Ausgang der Kesselrohre 32 mündet über den Wendekammereintritt 34 bzw. -einlass in die Wendekammer 35. Falls die Filtereinrichtung 4 nicht vorgesehen ist, wird das Rauchgas wieder im Kessel 11 nach oben abgeführt. Der andere Fall der optionalen Filtereinrichtung 4 ist in den Fig. 2 und 3 dargestellt. Dabei wird das Rauchgas nach der Wendekammer 35 wieder nach oben in die Filtereinrichtung 4 eingeleitet (vgl. Pfeile S5), welche vorliegend beispielhaft eine elektrostatische Filtereinrichtung 4 ist. Dabei können am Eintritt 44 der Filtereinrichtung 4 Strömungsblenden vorgesehen sein, die die Einströmung des Rauchgases in den Filter vergleichmäßigen.
  • Elektrostatische Staubfilter, oder auch Elektroabscheider genannt, sind Einrichtungen zur Abscheidung von Partikeln aus Gasen, die auf dem elektrostatischen Prinzip beruhen. Diese Filtereinrichtungen werden insbesondere zur elektrischen Reinigung von Abgasen verwendet. Bei Elektrofiltern werden Staubteilchen durch eine Koronaentladung einer Sprühelektrode elektrisch aufgeladen und zur entgegengesetzt aufgeladenen Elektrode (Niederschlagselektrode) gezogen. Die Koronaentladung findet auf einer dafür geeigneten, geladenen Hochspannungselektrode (auch als Sprühelektrode bezeichnet) im Inneren des Elektrofilters statt. Die Elektrode ist bevorzugt mit herausragenden Spitzen und eventuell scharfen Kanten ausgeführt, weil dort die Dichte der Feldlinien und damit auch die elektrische Feldstärke am größten und somit die Koronaentladung begünstigt ist. Die gegengesetzte Elektrode (Niederschlagselektrode) besteht für gewöhnlich aus einem geerdeten Abgasrohrabschnitt, der um die Elektrode gelagert ist. Der Abscheidungsgrad eines Elektrofilters ist insbesondere von der Verweilzeit der Abgase im Filtersystem und der Spannung zwischen Sprüh- und Abscheidungselektrode abhängig. Die dafür notwendige gleichgerichtete Hochspannung wird von einer Hochspannungserzeugungseinrichtung (nicht dargestellt) bereitgestellt. Die Hochspannungserzeugungsanlage und die Halterung für die Elektrode sind vor Staub und Verschmutzung zu schützen, um ungewollte Kriechströme zu vermeiden und die Standzeit der Anlage 1 zu verlängern.
  • Wie in Fig. 2 gezeigt, ist eine stabförmige Elektrode 45 (welche vorzugsweise wie eine längliche, plattenförmige Stahlfeder ausgestaltet ist, vgl. Fig. 11) in etwa mittig in einem annähernd kaminförmigen Innenraum der Filtereinrichtung 4 gehaltert. Die Elektrode 45 besteht zumindest weitgehend aus einem hochwertigen Federstahl oder Chromstahl und ist von einer Elektrodenhalterung 43 über einen Hochspannungsisolator, d. h., eine Elektrodenisolation 46, gehaltert.
  • Die (Sprüh-) Elektrode 45 hängt schwingungsfähig nach unten in den Innenraum der Filtereinrichtung 4. Dabei kann die Elektrode 45 beispielsweise quer zur Längsachse der Elektrode 45 hin- und herschwingen.
  • Ein Käfig 48 dient gleichzeitig als Gegenelektrode und als Abreinigungsmechanik für die Filtereinrichtung 4. Der Käfig 48 ist mit dem Masse- bzw. Erdpotential verbunden. Durch den herrschenden Potentialunterschied wird das in der Filtereinrichtung 4 strömende Abgas, vgl. die Pfeile S6, gefiltert wie vorstehend erläutert. Im Falle der Abreinigung der Filtereinrichtung 4 wird die Elektrode 45 stromlos geschaltet. Der Käfig 48 weist vorzugsweise ein achteckiges regelmäßiges Querschnittsprofil auf, so wie sich das beispielsweise der Ansicht der Fig. 9 entnehmen lässt. Der Käfig 48 kann vorzugsweise bei der Herstellung mit dem Laser zugeschnitten werden.
  • Das Rauchgas strömt nach dem Austritt aus dem Wärmetauscher 3 durch die Wendekammer 34 in den Eintritt 44 der Filtereinrichtung 4.
  • Dabei ist die (optionale) Filtereinrichtung 4 optional vollintegriert in den Kessel 11 vorgesehen, womit die dem Wärmetauscher 3 zugewandte und von dem Wärmetauschermedium durchspülte Wandfläche auch aus Richtung der Filtereinrichtung 4 zum Wärmetausch eingesetzt wird, womit die Effizienz der Anlage 1 nochmals verbessert wird. Damit kann zumindest ein Teil der Wand die Filtereinrichtung 4 mit dem Wärmetauschmedium durchspült sein, womit zumindest ein Teil dieser Wand mit Kesselwasser gekühlt wird.
  • Am Filteraustritt 47 strömt das gereinigte Abgas aus der Filtereinrichtung 4 hinaus, wie durch die Pfeile S7 angegeben. Nach dem Filteraustritt wird ein Teil des Abgases über die Rezirkulationseinrichtung 5 wieder zu der Primärverbrennungszone 26 zurückgeführt. Auch dies wird später noch näher erläutert werden. Der verbleibende Teil des Abgases wird über den Abgasausgang 41 aus dem Kessel 11 hinausgeleitet.
  • Die Ascheabfuhreinrichtung 7 ist im unteren Teil des Kessels 11 angeordnet. Über eine Ascheaustragungsschnecke 71 wird die beispielsweise aus der Brennkammer 24, den Kesselrohren 32 und der Filtereinrichtung 4 abgeschiedene und herausfallende Asche seitlich aus dem Kessel 11 ausgefördert. Zum Antrieb der Ascheabfuhr 7 und einer Reinigungseinrichtung 9 (siehe später) ist die Antriebseinheit 72 vorgesehen, welche ein optionales Getriebe und einen Freilauf 73 aufweist. Ein später näher erläutertes Schubglied 74 dient mit einem Kurbelelement 77 als Übertragungselement zwischen Motor und weiteren Elementen der Reinigungseinrichtung 9 (vgl. auch Fig. 13 ff.). Gelagert oder gehaltert sind die mechanischen Komponenten der Reinigungseinrichtung in einem Gestell 76, welches beispielsweise mit dem Kesselfuß 12 verschweißt ist.
  • Die Brennkammer 24 und der Kessel 11 dieser Ausführungsform wurden mittels CFD-Simulationen berechnet. Weiter wurden Praxisexperimente durchgeführt, um die CFD-Simulationen zu bestätigen. Ausgangspunkt der Überlegungen waren Berechnungen für einen 100 kW Kessel, wobei jedoch ein Leistungsbereich von 20 bis 500 kW berücksichtigt wurde.
  • Eine CFD-Simulation (CFD = Computational Fluid Dynamics = numerische Strömungsmechanik) ist die räumlich und zeitlich aufgelöste Simulation von Strömungsund Wärmeleitprozessen. Dabei können die Strömungsprozesse laminar und/oder turbulent sein, von chemischen Reaktionen begleitet auftreten, oder es kann sich um ein mehrphasiges System handeln. CFD-Simulationen eignen sich somit gut als Design- und Optimierungswerkzeug. Bei der vorliegenden Erfindung wurden CFD-Simulationen eingesetzt, um die strömungstechnischen Parameter derart zu optimieren, dass die vorstehend aufgeführten Aufgaben der Erfindung gelöst werden. Insbesondere wurden im Ergebnis die mechanische Ausgestaltung und Dimensionierung des Kessels 11, der Brennkammer 24, der Sekundärluftdüsen 291 und der Brennkammerdüse 203 maßgeblich durch die CFD-Simulation und auch durch zugehörige praktische Experimente definiert. Die Simulationsergebnisse basieren auf einer Strömungssimulation mit Berücksichtigung der Wärmeübertragung.
  • Die vorstehend aufgeführten Bestandteile der Biomasse-Heizanlage 1 und des Kessels 11, die Ergebnisse der CFD-Simulationen sind, werden nachstehend eingehender beschrieben.
    • (Brennkammer)
  • Die Gestaltung der Brennkammerform ist von Wichtigkeit, um die aufgabengemäßen Anforderungen einhalten zu können. Durch die Brennkammerform bzw. -geometrie sollen eine möglichst gute turbulente Durchmischung und Homogenisierung der Strömung über den Querschnitt des Rauchgaskanals, eine Minimierung des Feuerungsvolumens, sowie eine Reduktion des Luftüberschusses und des Rezirkulationsverhältnisses (Wirkungsgrad, Betriebskosten), eine Reduktion der COund CxHx- Emissionen, der NOx-Emissionen, der Staubemissionen, eine Reduktion von lokalen Temperaturspitzen (Fouling und Verschlackung) sowie eine Reduktion von lokalen Rauchgas-Geschwindigkeitsspitzen (Materialbeanspruchung und Erosion) erreicht werden.
  • Die Fig. 4, die eine Teilansicht der Fig. 2 ist, und die Fig. 5, welche eine Schnittansicht durch den Kessel 11 entlang der Vertikalschnittlinie A2 ist, stellen eine Brennkammergeometrie dar, die den vorstehend genannten Anforderungen für Biomasse-Heizanlagen über einen weiten Leistungsbereich von beispielsweise 20 bis 500 kW gerecht wird. Die Vertikalschnittlinie A2 kann im Übrigen auch als Mittel- oder Mittenachse der ovalen Brennkammer 24 verstanden werden.
  • Die in den Figuren 3 und 4 angegebenen und über CFD-Berechnungen und Praxis experimente ermittelten Maße bei einem beispielhaften Kessel mit ca. 100 kW sind im Einzelnen wie folgt:
    • BK1 = 172 mm +- 40 mm, vorzugsweise +- 17 mm;
    • BK2 = 300 mm +- 50 mm, vorzugsweise +- 30 mm;
    • BK3 = 430 mm +- 80 mm, vorzugsweise +- 40 mm;
    • BK4 = 538 mm +- 80 mm, vorzugsweise +- 50 mm;
    • BK5 = (BK3 - BK2) / 2 = bspw. 65 mm +- 30 mm, vorzugsweise +- 20 mm;
    • BK6 = 307 mm +- 50 mm, vorzugsweise +- 20 mm;
    • BK7 = 82 mm +- 20 mm, vorzugsweise +- 20 mm;
    • BK8 = 379 mm +- 40 mm, vorzugsweise +- 20 mm;
    • BK9 = 470 mm +- 50 mm, vorzugsweise +- 20 mm;
    • BK10 = 232 mm +- 40 mm, vorzugsweise +- 20 mm;
    • BK11 = 380 mm +- 60 mm, vorzugsweise +- 30 mm;
    • BK12 = 460 mm +- 80 mm, vorzugsweise +- 30 mm.
  • Mit diesen Werten werden vorliegend sowohl die Geometrien der Primärverbrennungszone 26 als auch der Sekundärverbrennungszone 27 der Brennkammer 24 optimiert. Die angegebenen Größenbereiche sind Bereiche, mit denen die Anforderungen ebenso (annähernd) erfüllt werden, wie mit den angegebenen exakten Werten.
  • Dabei kann vorzugsweise eine Kammergeometrie der Primärverbrennungszone 26 und der Brennkammer 24 (bzw. ein Innenvolumen der Primärverbrennungszone 26 der Brennkammer 24) anhand der folgenden Grundparameter definiert werden:
    Ein Volumen mit einer ovalen horizontalen Grundfläche mit den Maßen von 380 mm +- 60 mm (vorzugsweise +-30 mm) x 320 mm +- 60 mm (vorzugsweise +-30 mm), sowie einer Höhe von 538 mm +- 80 mm (vorzugsweise +- 50 mm).
  • Die vorstehenden Größenangaben können im Verhältnis dieser zueinander skaliert auch Anwendung auf Kessel anderer Leistungsklassen (bspw. 50 kW oder 200 kW) finden.
  • Als Fortbildung dessen kann das vorstehend definierte Volumen eine obere Öffnung in Form einer Brennkammerdüse 203 aufweisen, die in der Sekundärverbrennungszone 27 der Brennkammer 24 vorgesehen ist, welche eine in die Sekundärverbrennungszone 27 hineinragende Brennkammerschräge 202 aufweist, welche vorzugsweise das Wärmetauschmedium 38 beinhaltet. Die Brennkammerschräge 202 verringert den Querschnitt der Sekundärverbrennungszone 27. Dabei ist die Brennkammerschräge 202 um einen Winkel k von zumindest 5%, bevorzugt um einen Winkel k von zumindest 15% und noch mehr bevorzugt um zumindest einen Winkel k von 19% in Bezug auf eine fiktive horizontale bzw. gerade vorgesehene Brennkammerdecke H (vgl. die gestrichelte Horizontallinie H in Fig. 4) vorgesehen.
  • Zudem ist eine Brennkammerdecke 204 ebenfalls in Richtung des Eintritts 33 aufsteigend geneigt vorgesehen. Die Brennkammer 24 in der Sekundärverbrennungszone 27 weist somit die Brennkammerdecke 204 auf, die in Richtung des Eintritts 33 des Wärmetauschers 3 nach oben geneigt vorgesehen ist. Diese Brennkammerdecke 204 erstreckt sich im Schnitt der Fig. 2 zumindest weitgehend gerade bzw. geradlinig und geneigt. Der Neigungswinkel der geraden bzw. ebenen Brennkammerdecke 204 kann gegenüber der (fiktiven) Horizontalen vorzugsweise 4 bis 15 Grad betragen.
  • Mit der Brennkammerdecke 204 ist eine weitere (Decken-)Schräge in der Brennkammer 24 vor dem Eintritt 33 vorgesehen, die zusammen mit der Brennkammerschräge 202 einen Trichter ausbildet. Dieser Trichter dreht die nach oben gerichtete Drall- bzw. Wirbelströmung zur Seite und lenkt diese Strömung in etwa in das Horizontale um. Aufgrund der schon turbulenten Aufwärtsströmung und der Trichterform vor dem Eintritt 33 wird sichergestellt, dass alle Wärmetauscherrohre 32 bzw. Kesselrohe 32 gleichmäßig beströmt werden, womit ein gleichverteilter Durchfluss des Rauchgases in allen Kesselrohren 32 sichergestellt ist. Dies optimiert den Wärmeübergang im Wärmetauscher 3 ganz erheblich.
  • Dabei kann insbesondere die Kombination der vertikalen und horizontalen Schrägen 203, 204 in der Sekundärverbrennungszone in Kombination als Einströmgeometrie in dem konvektiven Kessel eine gleichmäßige Verteilung des Rauchgases auf die konvektiven Kesselrohre erreichen.
  • Die Brennkammerschräge 202 dient der Homogenisierung der Strömung S3 in Richtung des Wärmetauschers 3 und damit der Beströmung der Kesselrohre 32. Somit wird eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Rauchgases auf die einzelnen Kesselrohre bewirkt, um dort den Wärmeübergang zu optimieren.
  • Im Detail dreht die Kombination der Schrägen mit dem Einströmquerschnitt des Kessels die Rauchgasströmung so, dass eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Rauchgasdurchflusses bzw. der Durchflussmenge auf die jeweiligen Kesselrohre 32 erfolgt.
  • Im Stand der Technik gibt es häufig Brennkammern mit rechteckiger oder polygonaler Brennkammer und Düse, wobei jedoch die unregelmäßige Form der Brennkammer und der Düse sowie deren Zusammenspiel ein weiteres Hindernis für eine gleichmäßige Luftverteilung und eine gute Mischung von Luft und Brennstoff und somit einen guten Ausbrand darstellen, wie vorliegend erkannt wurde. Insbesondere mit einer eckigen Geometrie der Brennkammer entstehen Strömungsfäden bzw. Vorzugsströmungen, die nachteilhaft zu einer ungleichmäßigen Beströmung der Wärmetauscherrohre 32 führen.
  • Deshalb ist vorliegend die Brennkammer 24 ohne Totecken oder Totkanten vorgesehen.
  • Vorliegend wurde somit erkannt, dass die Geometrie der Brennkammer (und des gesamten Strömungsverlaufs im Kessel) eine maßgebliche Rolle bei den Überlegungen zur Optimierung der Biomasse-Heizanlage 1 spielt. Deshalb wurde (in Abkehr von den üblichen rechteckigen oder mehr-eckigen oder rein zylindrischen Formgebungen) die hierin beschriebene ovale oder runde Grundgeometrie ohne Totecken gewählt. Zudem wurde auch diese Grundgeometrie der Brennkammer und deren Aufbau mit den vorstehend angegebenen Maßen / Maßbereichen optimiert. Dabei sind diese Maße /Maßbereiche derart gewählt, dass insbesondere auch unterschiedliche Brennstoffe (Hackgut und Pellets) mit unterschiedlicher Qualität (beispielsweise mit unterschiedlichem Wassergehalt) bei sehr hohem Wirkungsgrad verbrannt werden können. Dies haben die Praxistests und CFD-Simulationen ergeben.
  • Insbesondere kann die Primärverbrennungszone 26 der Brennkammer 24 ein Volumen umfassen, das bevorzugt im Außenumfang einen ovalen oder annähernd kreisförmigen Horizontalquerschnitt aufweist (ein solcher Querschnitt ist in Fig. 2 beispielhaft mit A1 gekennzeichnet). Dieser Horizontalquerschnitt kann zudem bevorzugt die Grundfläche der Primärverbrennungszone 26 der Brennkammer 24 darstellen. Über die durch den Doppelpfeil BK4 angegebene Höhe kann die Brennkammer 24 einen annähernd gleichbleibenden Querschnitt aufweisen. Insofern kann die Primärverbrennungszone 24 ein annähernd oval-zylindrisches Volumen aufweisen. Bevorzugt können die Seitenwände und die Grundfläche (der Rost) der Primärverbrennungszone 26 senkrecht aufeinander stehen. Dabei können die vorstehend beschriebenen Schrägen 203, 204 integriert als Wände der Brennkammer 24 vorgesehen sein, wobei die Schrägen 203, 204 einen Trichter ausbilden, der im Eintritt 33 des Wärmetauschers 33 mündet und dort den geringsten Querschnitt aufweist.
  • Vorstehend wird der Begriff "annähernd" verwendet, da selbstverständlich einzelne Kerben, konstruktiv bedingte Abweichungen oder kleine Asymmetrien vorhanden sein können, beispielsweise bei den Übergängen der einzelnen Brennkammersteine 29 zueinander. Diese geringfügigen Abweichungen spielen strömungstechnisch jedoch nur eine untergeordnete Rolle.
  • Der Horizontalquerschnitt der Brennkammer 24 und insbesondere der Primärverbrennungszone 26 der Brennkammer 24 können ebenso bevorzugt regelmäßig ausgeführt sein. Weiter kann der Horizontalquerschnitt der Brennkammer 24 und insbesondere der Primärverbrennungszone 26 der Brennkammer 24 bevorzugt eine regelmäßige (und/oder symmetrische) Ellipse sein.
  • Zudem kann der Horizontalquerschnitt (der Außenumfang) der Primärverbrennungszone 26 über eine vorgegebene Höhe, (beispielsweise 20 cm) gleichbleibend ausgestaltet sein.
  • Damit ist vorliegend eine oval-zylindrische Primärverbrennungszone 26 der Brennkammer 24 vorgesehen, die nach CFD-Berechnungen eine deutlich gleichmäßigere und bessere Luftverteilung in der Brennkammer 24 ermöglicht als bei rechteckigen Brennkammern des Stands der Technik. Die fehlenden Toträume vermeiden zudem Zonen in der Brennkammer mit schlechter Luftdurchströmung, was die Effizienz steigert und die Schlackebildung verringert.
  • Ebenso ist die Düse 203 in der Brennkammer 24 als ovale oder annähernd kreisförmige Verengung ausgestaltet, um die Strömungsverhältnisse noch weiter zu optimieren. Der vorstehend erläuterte Drall der Strömung in der Primärverbrennungszone 26, welcher durch die erfindungsgemäßen speziell konzipierten Sekundärluftdüsen 291 bedingt ist, führt zu einem grob helixförmig oder spiralförmig nach oben gerichteten Strömungsverlauf, wobei eine ebenso ovale oder annähernd kreisförmige Düse diesen Strömungsverlauf begünstigt, und nicht wie übliche rechteckige Düsen stört. Diese optimierte Düse 203 bündelt das nach oben rotierend strömende Rauchgas-Luft-Gemisch und sorgt für eine bessere Durchmischung, einen Erhalt der Wirbelströmungen in der Sekundärverbrennungszone 27 und damit für eine vollständige Verbrennung. Dadurch wird auch der erforderliche Luftüberschuss minimiert. Dies verbessert den Verbrennungsvorgang und erhöht die Effizienz.
  • Damit dient insbesondere die Kombination der vorstehend erläuterten Sekundärluftdüsen 291 und der dadurch induzierten Wirbelströmungen mit der optimierten Düse 203 der Bündelung des nach oben rotierenden Rauchgas-/Luftgemischs. Dies sorgt für eine zumindest annähernd vollständige Verbrennung in der Sekundärverbrennungszone 27.
  • Somit wird eine wirbel- bzw. drallbehaftete Strömung durch die Düse 203 gebündelt und nach oben gerichtet, womit sich diese Strömung weiter nach oben erstreckt als im Stand der Technik üblich. Dies hat, wie für den Fachmann aus den Gesetzen der Physik betreffend des Drehimpulses ersichtlich, seine Ursache in der durch die Düse 203 erzwungenen Verkleinerung des drallbehafteten Abstandes des Luftstromes zur Rotations- bzw. Drallmittenachse (vgl. analog die Physik des Pirouetteneffekts).
  • Zudem wird vorliegend der Strömungsverlauf in der Sekundärverbrennungszone 27 und aus der Sekundärverbrennungszone 27 zu den Kesselrohren 32 optimiert, wie nachstehend näher erläutert.
  • Die Brennkammerschräge 202 der Fig. 4, welche ohne Bezugszeichen auch in den Fig. 2 und 3 zu erkennen ist und an der sich die Brennkammer 25 (bzw. deren Querschnitt) von unten nach oben hin zumindest annähernd linear verjüngt, sorgt nach CFD-Berechnungen für eine Vergleichmäßigung der Rauchgasströmung in Richtung der Wärmetauscheinrichtung 4, womit deren Effizienz verbessert werden kann. Dabei verjüngt sich die horizontale Querschnittsfläche der Brennkammer 25 von Anfang bis Ende der Brennkammerschräge 202 bevorzugt zumindest um 5%. Die Brennkammerschräge 202 ist dabei auf der Seite der Brennkammer 25 zur Wärmetauscheinrichtung 4 vorgesehen, und ist an der Stelle der maximalen Verjüngung abgerundet vorgesehen. Im Stand der Technik üblich sind parallele bzw. gerade Brennkammerwände ohne eine Verjüngung (um die Rauchgasströmung nicht zu behindern). Hinzu kommt, einzeln oder in Kombination, die zur horizontalen schräg nach oben in Richtung des Eintritts 33 verlaufende Brennkammerdecke 204, die die Wirbelströmungen in der Sekundärverbrennungszone 27 seitlich ableitet, und dabei in deren Strömungsgeschwindigkeitsverteilung vergleichmäßigt.
  • Die Einströmung bzw. Umlenkung des Rauchgasstromes vor dem Rohrbündelwärmetauscher ist derart ausgestaltet, dass eine ungleichmäßige Anströmung der Rohre bestmöglich vermieden wird, womit Temperaturspitzen in einzelnen Kesselrohren 32 niedrig gehalten werden können und damit der Wärmeübergang im Wärmetauscher 4 verbessert werden kann (bestmögliche Nutzung der Wärmetauscherflächen). In der Folge ist die Effizienz der Wärmetauscheinrichtung 4 verbessert.
  • Im Detail wird der gasförmige Volumenstrom des Rauchgases durch die schräge Brennkammerwandung 203 mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit (auch im Falle unterschiedlicher Verbrennungszustände) zu den Wärmetauscherrohren bzw. den Kesselrohren 32 geführt. Durch die schräge Brennkammerdecke 204 wird dieser Effekt nochmals verstärkt, wobei ein Trichtereffekt bewirkt wird. Im Ergebnis entsteht eine gleichmäßige Wärmeverteilung der einzelnen Kesselrohre 32 betreffenden Wärmetauscherflächen und damit eine verbesserte Nutzung der Wärmetauscherflächen. Die Abgastemperatur wird somit gesenkt und der Wirkungsgrad erhöht. Dabei ist die Strömungsverteilung insbesondere an der in der Fig. 3 dargestellten Indikatorlinie WT1 deutlich gleichmäßiger als im Stand der Technik. Die Linie WT1 stellt eine Eintrittsfläche für den Wärmetauscher 3 dar. Die Indikatorlinie WT3 gibt eine beispielhafte Querschnittslinie durch die Filtereinrichtung 4 an, in der die Strömung möglichst homogen eingerichtet bzw. über den Querschnitt der Kesselrohre 32 in etwa gleichverteilt ist (u. A. aufgrund von Strömungsblenden am Eingang der Filtereinrichtung 4 und aufgrund der Geometrie der Wendekammer 35). Eine gleichmäßige Durchströmung der Filtereinrichtung 3 bzw. des letzten Kesselzuges minimiert Strähnenbildung und optimiert dadurch zudem die Abscheideeffizienz der Filtereinrichtung 4 sowie den Wärmeübergang in der Biomasse-Heizanlage 1.
  • Weiter ist im unteren Teil der Brennkammer 25 am Brennstoffbett 28 eine Zündeinrichtung 201 vorgesehen. Diese kann eine Initialzündung oder eine erneute Zündung des Brennstoffes bewirken. Es kann die Zündeinrichtung 201 ein Glühzünder sein. Die Zündeinrichtung ist vorteilhaft ortsfest und horizontal seitlich versetzt zum Ort der Einführung des Brennstoffs angeordnet.
  • Weiter kann (optional) nach dem Ausgang des Rauchgases (d. h., nach S7) aus der Filtereinrichtung eine Lamdasonde (nicht dargestellt) vorgesehen sein. Durch die Lambdasonde kann eine Steuerung (nicht dargestellt) den jeweiligen Heizwert erkennen. Die Lambdasonde kann somit für das ideale Mischverhältnis zwischen den Brennstoffen und der Sauerstoffzufuhr sorgen. Trotz unterschiedlicher Brennstoffqualitäten werden im Ergebnis eine hohe Effizienz und ein höherer Wirkungsgrad erreichbar.
  • Das in Fig. 5 gezeigte Brennstoffbett 28 zeigt eine grobe Brennstoffverteilung aufgrund der Zuführung des Brennstoffs von der rechten Seite der Fig. 5.
  • Weiter ist in den Fig. 4 und 5 eine Brennkammerdüse 203 gezeigt, in der eine Sekundärverbrennungszone 27 vorgesehen ist und die die Rauchgasströmung beschleunigt und bündelt. Dadurch wird die Rauchgasströmung besser durchmischt und kann in der Nachverbrennungszone 27 bzw. Sekundärverbrennungszone 27 effizienter verbrennen. Das Flächenverhältnis der Brennkammerdüse 203 liegt in einem Bereich von 25 % bis 45 %, beträgt jedoch bevorzugt 30 % bis 40 %, und ist, beispielsweise für eine 100 kW Biomasse-Heizanlage 1, idealerweise 36 % +- 1 % (Verhältnis der gemessenen Eingangsfläche zur gemessenen Ausgangsfläche der Düse 203).
  • Mithin stellen die vorstehenden Angaben zur Brennkammergeometrie der Primärverbrennungszone 26 zusammen mit der Geometrie der Sekundärluftdüsen 291 und der Düse 203 eine vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Offenbarung dar.
    • (Brennkammersteine)
  • Die Fig. 6 zeigt eine dreidimensionale Schnittansicht (von schräg oben) auf die Primärverbrennungszone 26 sowie den isolierten Teil der Sekundärverbrennungszone 27 der Brennkammer 24 mit dem Drehrost 25, und insbesondere auf die besondere Ausgestaltung der Brennkammersteine 29. Die Fig. 7 zeigt entsprechend zur Fig. 6 eine Explosionsdarstellung der Brennkammersteine 29. Die Ansichten der Fig. 6 und 7 können bevorzugt mit den vorstehend aufgeführten Abmessungen der Fig. 4 und 5 ausgeführt sein. Dies ist jedoch nicht zwingend der Fall.
  • Die Kammerwand der Primärverbrennungszone 26 der Brennkammer 24 ist mit einer Mehrzahl von Brennkammersteinen 29 in einem modularen Aufbau vorgesehen, was unter anderem die Fertigung und die Wartung erleichtert. Die Wartung wird insbesondere durch die Möglichkeit der Entnahme einzelner Brennkammersteine 29 erleichtert.
  • An den Auflageflächen 260 der Brennkammersteine 29 sind formschlüssige Nuten 261 und Vorsprünge 262 (in Fig. 6 sind zur Vermeidung von Redundanzen in den Figuren exemplarisch nur jeweils ein paar dieser bezeichnet) vorgesehen, um eine mechanische und weitgehend luftdichte Verbindung zu schaffen, um wiederum das Eindringen von störender Fremdluft zu vermeiden. Bevorzugt bilden je zwei zumindest weitgehend symmetrische Brennkammersteine (mit Ausnahme eventuell der Öffnungen für die Sekundärluft bzw. das rezirkulierte Rauchgas) einen vollständigen Ring aus. Weiter sind bevorzugt drei Ringe aufeinandergestapelt, um die oval-zylindrische oder alternativ auch zumindest annähernd kreisförmige (letzteres ist nicht dargestellt) Primärverbrennungszone 26 der Brennkammer 24 auszubilden.
  • Als oberer Abschluss sind drei weitere Brennkammersteine 29 vorgesehen, wobei die ringförmige Düse 203 durch zwei Halterungssteine 264 gelagert wird, die formschlüssig auf den oberen Ring 263 aufgesetzt werden. Bei allen Auflageflächen 260 sind Nuten 261 entweder für passende Vorsprünge 262 und/oder zur Einfügung von geeignetem Dichtmaterial vorgesehen.
  • Die Halterungssteine 264, welche bevorzugt symmetrisch ausgebildet sind, können bevorzugt eine nach innen geneigte Schräge 265 aufweisen, um ein Abkehren von Flugasche auf den Drehrost 25 zu vereinfachen.
  • Der untere Ring 263 der Brennkammersteine 29 liegt auf einer Bodenplatte 251 des Drehrosts 25 auf. An der Innenkannte zwischen diesem unteren Ring 263 der Brennkammersteine 29 lagert sich vermehrt Asche ab, was somit diesen Übergang vorteilhaft im Betrieb der Biomasse-Heizanlage 1 selbstständig und vorteilhaft abdichtet.
  • Im mittleren Ring der Brennkammersteine 29 sind die Öffnungen für die Rezirkulationsdüsen 291 bzw. Sekundärluftdüsen 291 vorgesehen. Dabei sind die Sekundärluftdüsen 291 zumindest annähernd auf der gleichen (horizontalen) Höhe der Brennkammer 24 in den Brennkammersteinen 29 vorgesehen.
  • Vorliegend sind drei Ringe von Brennkammersteinen 29 vorgesehen, da dies den effizientesten Weg der Herstellung und auch der Wartung darstellt. Alternativ können auch 2, 4 oder 5 solcher Ringe vorgesehen sein.
  • Die Brennkammersteine 29 bestehen vorzugsweise aus Hochtemperatur-Siliziumkarbid, wodurch diese sehr verschleißfest sind.
  • Die Brennkammersteine 29 sind als Formsteine vorgesehen. Die Brennkammersteine 29 sind derart geformt, dass das Innenvolumen der Primärverbrennungszone 26 der Brennkammer 24 einen ovalen Horizontalquerschnitt aufweist, womit durch eine ergonomische Formgebung Totecken bzw. Toträume vermieden werden, die üblicherweise vom Rauchgas- Luftgemisch nicht optimal durchströmt werden, wodurch der dort vorhandene Brennstoff nicht optimal verbrannt wird. Aufgrund der vorliegenden Formgebung der Brennkammersteine 29 wird die Durchströmung des Rosts 25 mit Primärluft, die auch zur Verteilung des Brennstoffs über dem Rost 25 passt, und die Möglichkeit von unbehinderten Wirbelströmungen verbessert; und folglich wird die Effizienz der Verbrennung verbessert.
  • Der ovale Horizontalquerschnitt der Primärverbrennungszone 26 der Brennkammer 24 ist bevorzugt ein punktsymmetrisches und/oder regelmäßiges Oval mit dem kleinsten Innendurchmesser BK3 und dem größten Innendurchmesser BK11. Diese Maße waren das Ergebnis der Optimierung der Primärverbrennungszone 26 der Brennkammer 24 mittels CFD-Simulation und von praktischen Versuchen.
    • (Wärmetauscher)
  • Zur Optimierung des Wärmetauschers 3 wurden, in Synergie mit den vorstehend beschriebenen Überlegungen, wiederum CFD-Simulationen und Praxistests durchgeführt. Dabei wurde auch überprüft, inwieweit ein Federturbulator oder ein Bandturbulator oder eine Kombination aus beidem die Effizienz des Wärmetauschvorganges verbessern können, ohne jedoch den Druckverlust in dem Wärmetauscher 3 zu groß werden zu lassen. Turbulatoren verstärken die Turbulenzbildung in den Kesselrohren 32, womit die Strömungsgeschwindigkeit gesenkt, die Verweildauer des Rauchgases im Kesselrohr 32 erhöht und damit die Effizienz des Wärmeaustauschs erhöht wird. Im Detail wird die Grenzschicht der Strömung an der Rohrwandung aufgebrochen, wodurch der Wärmeübergang verbessert wird. Allerdings wird der Druckverlust auch umso größer, je turbulenter die Strömung ist.
  • Vorliegend wurde zudem für alle mit Rauchgas in Berührung stehenden Flächen eine leichte Verschmutzung (sogenanntes Fouling mit einer Dicke von 1 mm) berücksichtigt. Die Emissivität einer derartigen Fouling-Schicht wurde mit 0,6 angesetzt.
  • Das Ergebnis dieser Optimierung ist in Fig. 8 dargestellt, die eine Ausschnitt-Detailansicht der Fig. 2 ist.
  • Der Wärmetauscher 3 weist ein vertikal angeordnetes Bündel an Kesselrohren 32 auf, wobei bevorzugt in jedem Kesselrohr 32 jeweils sowohl ein Feder- als auch ein Bandoder Spiralturbulator vorgesehen ist. Der jeweilige Federturbulator 36 erstreckt sich bevorzugt über die gesamte Länge des jeweiligen Kesselrohrs 32 und ist federförmig ausgestaltet. Der jeweilige Bandturbulator 37 erstreckt sich bevorzugt über etwa die halbe Länge des jeweiligen Kesselrohrs 32 und weist ein sich spiralförmig in Achsrichtung des Kesselrohrs 32 erstreckendes Band mit einer Materialstärke von 1,5 mm bis 3 mm auf. Weiter kann der jeweilige Bandturbulator 37 auch etwa 35 % bis 65 % der Länge des jeweiligen Kesselrohrs 32 lang sein. Der jeweilige Bandturbulator 37 ist bevorzugt mit einem Ende am stromabwärtigen Ende des jeweiligen Kesselrohrs 32 angeordnet. Die Kombination aus Feder- und Band- bzw. Spiralturbulator kann auch als Doppelturbulator bezeichnet werden. In Fig. 8 sind sowohl Band- als auch Spiralturbulatoren dargestellt. Bei dem vorliegenden Doppelturbulator ist der Bandturbulator 37 innerhalb des Federturbulators 36 angeordnet. Allerdings kann insbesondere zur Abreinigung auch nur eine Art eines Turbulators als Reinigungselement verwendet werden. In dem Detailausschnitt der Fig. 8 ist auch eine Reinigungswelle 92 zu erkennen, welche sich quer zur Blickrichtung erstreckt.
  • Bandturbulatoren 37 sind vorgesehen, da der Bandturbulator 37 die Turbulenzwirkung im Kesselrohr 32 erhöht und ein über den Rohrquerschnitt betrachtet homogeneres Temperatur- und Geschwindigkeitsprofil hervorruft, währenddessen das Rohr ohne einen Bandturbulator bevorzugt eine heiße Strähne mit höheren Geschwindigkeiten im Rohrzentrum ausbildet, die sich bis zum Austritt des Kesselrohrs 32 fortsetzt, was sich negativ auf die Effizienz der Wärmeübertragung auswirken würde. Damit verbessern die Bandturbulatoren 37 im unteren Bereich der Kesselrohre 32 die konvektive Wärmeübertragung.
  • Als Optimum bevorzugt können beispielhaft 22 Kesselrohre mit einem Durchmesser von 76,1 mm und 3,6 mm Wandstärke verwendet werden.
  • Der Druckverlust kann in diesem Fall weniger als 25 Pa betragen. Der Federturbulator 36 weist in diesem Fall idealerweise einen Außendurchmesser von 65 mm, eine Steigung von 50 mm, und ein Profil von 10 x 3 mm auf. Der Bandturbulator 37 kann in diesem Fall einen Außendurchmesser von 43 mm, eine Steigung von 150 mm und ein Profil von 43 x 2 mm aufweisen. Eine Blechstärke des Bandturbulators kann 2 mm betragen.
  • Eine gute Effizienz wird mittels 18 bis 24 Kesselrohren und einen Durchmesser von 70 bis 85 mm bei einer Wandstärke von 3 bis 4,5 mm erreicht. Dabei können entsprechend angepasste Feder- und Bandturbulatoren zum Einsatz kommen.
  • Allerdings können zur Erreichung einer ausreichenden Effizienz zwischen 14 und 28 Kesselrohre 32 mit einem Durchmesser zwischen 60 und 80 mm mit einer Wandstärke von 2 bis 5 mm verwendet werden. Der Druckverlust kann in diesen Fällen zwischen 20 und 40 Pa betragen, und ist mithin als positiv zu bewerten. Der Außendurchmesser, die Steigung und das Profil der Feder- und Bandturbulatoren 36, 37 ist entsprechend angepasst vorgesehen.
  • Die gewünschte Zieltemperatur am Austritt der Kesselrohre 32 kann bei Nennleistung bevorzugt zwischen 100 und 160 Grad Celsius liegen.
    • (Reinigungseinrichtung für den Kessel)
  • Fig. 9 zeigt eine Reinigungseinrichtung 9, mit der sowohl der Wärmetauscher 3 als auch die Filtereinrichtung 4 automatisch (ab-) gereinigt werden können. Die Fig. 9 stellt die Reinigungseinrichtung aus dem Kessel 11 der Anschaulichkeit halber herausgestellt dar. Die Reinigungseinrichtung 9 betrifft den gesamten Kessel 11 und betrifft somit den konvektiven Teil des Kessels 11 und auch den letzten Kesselzug, in welchen die elektrostatische Filtereinrichtung 4 optional integriert werden kann.
  • Die Reinigungseinrichtung 9 weist Hebel 921, auf, die Kräfte auf zwei Reinigungswellen 92 übertragen können, wobei die Reinigungswellen 92 wiederum in einer Wellenhalterung 93 gelagert sind. Die Reinigungswellen 92 können bevorzugt auch noch an weiterer Stelle, beispielsweise an den entfernten Enden, ebenso drehbar gelagert sein. Die Reinigungswellen 92 weisen Fortsätze 94 auf, mit denen über Gelenke oder über Drehlager der Käfig 48 der Filtereinrichtung 4 und die Turbulatorhalterungen 95 verbunden und gelagert sind. In Fig. 9 ist lediglich ein winkliger Fortsatz 94 beispielhaft dargestellt. Der Fortsatz 94 bzw. die Fortsätze können sich jedoch auch geradlinig erstrecken.
  • Die Hebel 921 weisen an deren distalem (von der Reinigungswelle 92 entfernten) Ende Hebelzapfen 922 auf, welche in Richtung der Achse der Reinigungswelle 92 hervorspringen. Diese Hebelzapfen greifen in später erläuterte Schlitze oder Langlöcher 743, auch Hebelzapfenloch 743 bezeichnet, ein.
  • Die Turbulatorhalterung 95 ist in Fig. 10 herausgestellt und vergrößert dargestellt. Die Turbulatorhalterung 95 ist kammartig ausgestaltet und bevorzugt horizontalsymmetrisch ausgebildet. Weiter ist die Turbulatorhalterung 95 als ein flaches Metallstück mit einer Materialstärke in Dickenrichtung D zwischen 2 und 5 mm ausgebildet. Die Turbulatorhalterung 95 weist an deren Unterseite zwei Drehlageraufnahmen 951 zur Verbindung mit Drehlagerzapfen (nicht dargestellt) der Fortsätze 94 der Reinigungswellen 92 auf. Die Drehlageraufnahmen 951 können ein horizontales Spiel aufweisen, in welchem sich Drehlagerzapfen oder ein Drehlagergestänge 955 hin- und bewegen kann/können, wenn sich die Fortsätze 94 bei Drehung der Reinigungswelle 92 hebelartig mit der Reinigungswelle 92 als Drehachse bewegen. Die Fortsätze 94 können sich beispielsweise in Seitenrichtung des Kessels 11 von der Reinigungswelle 92 weg erstrecken. Am distalen Ende der Fortsätze 94 können beispielsweise die Turbulatorhalterung 95 und/oder der Käfig 48 und/oder auch die Turbulatoren 36/37 befestigt sein. Diese Befestigung kann über ein Gelenk oder auch, wie oben beschrieben, über ein Lager, oder über ein Spiel erfolgen. Die Fortsätze 94 dienen auch als Hebel. Es wird eine Drehung in einen Hub umgesetzt und umgekehrt.
  • Die Fortsätze 94 der Reinigungswelle 92 erstrecken sich radial von der Reinigungswelle 92 weg, so dass diese bei Drehung der Reinigungswelle die Turbulatorhalterung 95 (und den Reinigungskäfig 94) anheben oder absenken.
  • Insofern sind an der Reinigungswelle 92 die Fortsätze derart vorgesehen, dass die Drehung der Reinigungswelle 92 in einen zumindest anteiligen vertikalen Hub umgesetzt wird und umgekehrt.
  • Dabei wirkt das Eigengewicht der Turbulatoren 36, 37, des (optionalen) Käfigs 48 und auch der zugehörigen Teile, wie beispielsweise die Turbulatorenhalterung 95, über die Fortsätze 92 auf die Reinigungswelle 92 derart, dass diese die Reinigungswelle 92 in eine vorgegebene Drehrichtung der Reinigungswelle 92 drücken bzw. die Gewichtskraft dieser Elemente wird in ein Drehmoment an der Reinigungswelle 92 umgesetzt.
  • Das Eigengewicht der auf die Reinigungswelle 92 wirkenden Teile bzw. Elemente kann mehr als 10 Kilogramm, bevorzugt mehr als 30 Kilogramm, betragen, um ein starkes Drehmoment an der Mittenachse der Reinigungswelle 92 zu erzeugen.
  • Zusammengefasst dient die Reinigungswelle 92 bzw. dienen die Reinigungswellen 92 als Übertragungsglied/er zwischen den Reinigungselementen, beispielsweise den Turbulatoren 36, 37, und einem Schubglied 74, welches später in Bezug auf die Figuren 13 bis 24 näher erläutert werden wird.
  • Vertikal hervorstehende Fortsätze 952 weisen des Weiteren eine Mehrzahl von Ausnehmungen 954 auf, in und mit denen die Doppelturbulatoren 36, 37 befestigt werden können. Die Ausnehmungen 954 können einen Abstand zueinander aufweisen, der dem Gangabstand der Doppelturbulatoren 36, 37 entspricht. In der Turbulatorhalterung 95 können zudem bevorzugt Durchlässe 953 für das Rauchgas angeordnet sein, um die Strömung aus den Kesselrohren 32 in die Filtereinrichtung 4 zu optimieren. Andernfalls würde das Flachmetall quer zur Strömung stehen und diese zu stark behindern.
  • Zudem dreht sich bei der Montage des jeweiligen Federturbulators 36 inkl. des Spiralturbulators (Doppelturbulator) die Spirale durch ihr Eigengewicht automatisch in die Aufnahme der Turbulatorhalterung 95 (die auch als Aufnahmestange bezeichnet werden kann) und ist somit fixiert und gesichert. Dies erleichtert die Montage deutlich.
  • Die Figuren 11 und 12 zeigen die Abreinigungsmechanik 9 ohne den Käfig 48 in zwei unterschiedlichen Zuständen. Dabei ist die Käfighalterung 481 besser zu erkennen.
  • Fig. 11 zeigt die Abreinigungsmechanik 9 in einem ersten (Ruhe-) Zustand, wobei sich sowohl die Turbulatorhalterungen 95 als auch die Käfighalterung 481 in einer unteren Position befinden. An einer der Reinigungswellen 92 ist ein zweiarmiger Schlaghebel 96 mit einem Anschlagkopf 97 befestigt. Der Schlaghebel 96 kann alternativ auch ein- oder mehrarmig vorgesehen sein. Der Schlaghebel 96 mit dem Anschlagkopf 97 ist derart eingerichtet, dass dieser an das Ende der (Sprüh-)Elektrode 45 bewegt werden kann bzw. an diese anschlagen kann. Insbesondere mit der durch später erläuterte, das Schubelement 74 erzeugten beschleunigten Bewegung, kann der Schlagvorgang vorteilhaft schnell und mit viel Energie erfolgen.
  • Fig. 12 zeigt die Abreinigungsmechanik 9 in einem zweiten (Maximalhub) Zustand, wobei sich sowohl die Turbulatorhalterungen 95 als auch die Käfighalterung 481 in einer oberen Position befinden.
  • Beim Übergang vom ersten Zustand in den zweiten Zustand (und umgekehrt) wird durch Drehung der Reinigungswellen 92 mittels der Reinigungsantriebe 91 sowohl die Turbulatorhalterung 95 als auch die Käfighalterung 481 über die Fortsätze 952 (und ein Drehlagergestänge 955) vertikal angehoben. Damit können die Doppelturbulatoren 36, 37 in den Kesselrohren 32 und auch der Käfig 48 in dem Kamin der Filtereinrichtung 4 nach oben und nach unten bewegt werden und können die jeweiligen Wände entsprechend von Flugasche oder Ähnlichem abreinigen.
  • Es kann zudem der Schlaghebel 96 mit dem Anschlagkopf 97 bspw. beim Übergang vom ersten Zustand in den zweiten Zustand an das Ende der (Sprüh-) Elektrode 45 anschlagen. Dieses Anschlagen am freien (d.h. nicht aufgehängten) Ende der(Sprüh-) Elektrode 45 hat den Vorteil gegenüber herkömmlichen Rüttelmechaniken (bei diesen wird die Elektrode an deren Aufhängung bewegt), dass die (Sprüh-) Elektrode 45 entsprechend ihrer Schwingungscharakteristika nach der Anregung durch das Anschlagen selbst (im Idealfall frei) schwingen kann. Dabei bestimmt die Art des Anschlags die Schwingungen bzw. Schwingungsmodi der (Sprüh-) Elektrode 45. Es kann die (Sprüh-) Elektrode 45 von unten (d.h. aus deren Längsachsenrichtung bzw. aus deren Longitudinalrichtung) für die Erregung einer Stoßwelle oder einer Longitudinalschwingung angeschlagen werden. Es kann die (Sprüh-) Elektrode 45 aber auch seitlich (in den Figuren 11 und 12 beispielsweise aus Richtung des Pfeils V) angeschlagen werden, womit diese transversal schwingt. Oder es kann die (Sprüh-) Elektrode 45 (wie vorliegend in den Figuren 11 und 12 dargestellt) an deren Ende aus einer leicht seitlich versetzten Richtung von unten angeschlagen werden. In letzterem Fall werden eine Mehrzahl von unterschiedlichen Schwingungsarten in der (Sprüh-) Elektrode 45 (durch das Anschlagen) erzeugt, die sich im Abreinigungseffekt vorteilhaft aufaddieren und die Abreinigung in deren Effizienz verbessern. Insbesondere die Scherwirkung der Transversalschwingung an der Oberfläche der (Sprüh-) Elektrode 45 kann den Abreinigungseffekt verbessern.
  • Insofern kann es in der elastischen Federelektrode 45 zu einem Stoß bzw. einer Stoßwelle in Längsrichtung der bevorzugt als länglicher plattenförmiger Stab ausgeführten Elektrode 45 kommen. Ebenso kann es zu einer Transversalschwingung der (Sprüh-) Elektrode 45 aufgrund der wirkenden Querkräfte (die quer bzw. rechtwinklig zur Längsachsenrichtung der Elektrode 45 ausgerichtet sind) kommen.
  • Ebenso kann man mehrere Schwingungsarten gleichzeitig erzeugen. Insbesondere eine Stoßwelle und/oder Longitudinalwelle kombiniert mit einer Transversalschwingung der Elektrode 45 kann nochmals zu einer verbesserten Abreinigung der Elektrode 45 führen.
  • Im Ergebnis ist eine vollautomatische Abreinigung während der Entaschung in eine gemeinsame Aschebox an der Vorderseite der Heizanlage (nicht dargestellt) über die Austragungsschnecke 71 realisierbar. Ebenso kann die Federstahlelektrode 48 verschleißfrei und geräuscharm abgereinigt werden.
  • Weiter ist die Reinigungseinrichtung 9 auf die beschriebene Weise einfach und kostengünstig zu fertigen und weist einen einfachen und verschleißarmen Aufbau auf.
  • Weiter ist die Reinigungseinrichtung 9 mit der Antriebsmechanik derart eingerichtet, dass Ascherückstände vorteilhaft schon ab dem ersten Zug der Kesselrohre 32 durch die Turbulatoren abgereinigt werden können und nach unten abfallen können.
  • Zudem ist die Reinigungseinrichtung 9 im unteren, sogenannten "kalten Bereich" des Kessels 11 verbaut, was den Verschleiß ebenso verringert, da die Mechanik keinen sehr hohen Temperaturen ausgesetzt ist (d.h. die thermische Belastung ist verringert). Im Gegensatz dazu wird im Stand der Technik die Reinigungsmechanik im oberen Bereich der Anlage verbaut, was den Verschleiß entsprechend nachteilig erhöht.
  • Durch eine regelmäßige automatisierte Abreinigung wird zudem der Wirkungsgrad der Anlage 1 verbessert, da die Oberflächen des Wärmetauschers 3 sauberer sind. Ebenso kann die Filtereinrichtung 4 effizienter arbeiten, da auch deren Oberflächen sauberer sind. Dies ist auch deshalb wichtig, da die Elektroden der Filtereinrichtung 4 schneller verschmutzen als der konvektive Teil des Kessels 11.
  • Dabei ist eine Abreinigung der Elektroden der Filtereinrichtung 4 vorteilhaft auch im Betrieb bzw. während des Betriebs des Kessels 11 möglich.
    • (Verbesserte Reinigungseinrichtung 9)
  • Fig. 13 zeigt eine Querschnittsansicht durch eine Biomasse-Heizanlage 1 gemäß einer Abwandlung der Biomasse-Heizanlage der Fig. 1 und Fig. 2, welche aus der Seitenansicht S betrachtet dargestellt ist.
  • Die Abwandlung der Fig. 13 der Biomasse-Heizanlage 1 der Fig. 1 betrifft geringfügige Änderungen an der Anzahl der Kesselrohre 32 und der Dimensionierung der Biomasse-Heizanlage 1, sowie eine weitere Verbesserung der Reinigungseinrichtung 9 und der Ascheabfuhr 7.
  • Gleiche Bezugszeichen oder übereinstimmend dargestellte Komponenten der Fig. 1, Fig. 2 und Fig. 13 werden verwendet, um auf ähnliche oder technisch entsprechende Elemente zu verweisen. Weiter können der Übersichtlichkeit halber in einzelnen Detail- oder Ausschnittsansichten, die zu der Fig. 1, Fig. 2 und der Fig. 13 zugehörig sind, mehr Elemente oder Merkmale mit Bezugszeichen dargestellt und erläutert sein, als in den Überblicksansichten der Fig. 1, Fig. 2 und der Fig. 13. Es ist davon auszugehen, dass diese Elemente oder Merkmale auch entsprechend zugehörig der jeweilig anderen Überblicksansicht offenbart sind, auch wenn diese dort nicht explizit aufgeführt oder in der Beschreibung nochmals erläutert sind. Damit können die Merkmale der Figs. 1 bis 12 und der Figs. 13 bis 24 entsprechend miteinander kombiniert werden. Des Weiteren wurden der Übersichtlichkeit halber nur die für die nachfolgenden Erläuterungen relevanten Merkmale mit Bezugszeichen bezeichnet. So ist beispielsweise in der Fig. 13 eine Brennkammerdecke 204 offenbart, ohne dass diese mit einem Bezugszeichen beziffert ist.
  • Die Biomasse-Heizanlage 1 der Fig. 13 weist einen Kessel 11, eine Brenneinrichtung 2 mit einer Brennkammer 24, einen Kesselfuß 12 (dieser ist unten vorgesehen) und einen beweglichen Aschebehälter 79 zur Aufnahme der durch die Ascheaustragungsschnecke 71 aus der Biomasse-Heizanlage 1 hinausbeförderten Verbrennungsrückstände auf.
  • Der Pfeil S gibt die Seitenansicht auf die Biomasse-Heizanlage 1 an, und der Pfeil V gibt die Vorderansicht auf die Biomasse-Heizanlage 1 an.
  • Die Biomasse-Heizanlage 1 der Fig. 13 weist weiter einen Wärmetauscher 3 mit Turbulatoren 36, 37 auf, welche in Höhenrichtung bzw. in Axialrichtung der Kesselrohre 32 beweglich angeordnet sind. So können die Turbulatoren 36, 37 in den Kesselrohren 32 hin- und her bewegt werden.
  • Dabei werden durch die Bewegung der Turbulatoren 36, 37 Verbrennungsrückstände aus den Kesselrohren 32 entfernt, mechanisch von den Wänden der Kesselrohre 32 gelöst, beispielsweise abgekratzt oder durch Stoß gelöst (Näheres hierzu später). Die Verbrennungsrückstände fallen dabei nach unten in den Förderbereich der Ascheaustragungsschnecke 71, werden dort gesammelt, und werden in der Fig. 13 nach rechts aus der Biomasse-Heizanlage 1 hinausbefördert.
  • Weiter ist optional eine Filtereinrichtung 4 vorgesehen, welche eine (Sprüh-) Elektrode 45 und einen (Reinigungs-) Käfig 48 als Gegenelektrode aufweist. Der Käfig 48 ist dabei derart angeordnet, dass dieser bei dessen Auf- und Abbewegung die Wand der Filtereinrichtung mechanisch löst, beispielsweise abkratzt oder durch Stoß herauslöst (Näheres hierzu später). Auch hier fallen die Verbrennungsrückstände nach unten durch den Filtereintritt 44 in den Förderbereich der Ascheaustragungsschnecke 71, werden dort gesammelt, und werden in der Fig. 13 nach rechts aus der Biomasse-Heizanlage 1 hinausbefördert.
  • Zur Umsetzung der vorstehend beschriebenen Funktionalität ist eine verbesserte Reinigungseinrichtung 4 vorgesehen, die durch eine, vorzugsweise einzige, Antriebseinheit 72 angetrieben wird. Beispielsweise, aber nicht ausschließlich, kann die Antriebseinheit ein Elektromotor 72 sein.
  • Der Elektromotor 72 ist als einziger Antrieb für alle Komponenten der Reinigungseinrichtung 9 incl. der Ascheabfuhr 7 vorgesehen, womit das vorliegende Gesamtkonzept konstruktiv vorteilhaft (platzsparend, günstig, robust) ist. Der Elektromotor 72 kann weiterhin beispielsweise ein Elektromotor mit einem Getriebe sein, der mehr als drei Umdrehungen pro Minute bei mehr als 50 Nm Drehmoment , vorzugsweise mehr als vier Umdrehungen pro Minute bei maximal 100 Nm Drehmoment, vorsehen kann.
  • Der Elektromotor 72 kann weiter einen (internen oder externen) Freilauf 73 aufweisen. Insbesondere kann das Getriebe des Elektromotors mit dem Freilauf 73 integriert vorgesehen sein.
  • Vorzugsweise kann ein (später erläutertes) Kurbelelement 77 über eine Achse durch den Freilauf 73, beispielsweise einen Kugellagerfreilauf, gelagert sein. Die Achse kann dabei vorzugsweise der Achse der Ascheaustragungsschnecke 71 entsprechen, womit das Kurbelelement 77 und die Ascheaustragungsschnecke 71 über den Freilauf gemeinsam angetrieben werden. In Fig. 15 ist die Mittelachse dieser gemeinsamen Achse als Drehachse 773 bezeichnet.
  • Der Freilauf kann dabei vorteilhaft zusätzlich für eine Rückwärtsfahrt der Ascheaustragungsschnecke 71 verwendet werden, welche beispielsweise bei in der Ascheaustragungsschnecke 71 klemmenden Festkörpern zur Entfernung der Festkörper erforderlich wird.
  • In Fig. 13 im Schnitt dargestellt ist ein Schubglied 74, welches u.A. durch den Elektromotor 72 über ein Kurbelelement 77 bewegt werden kann.
  • Der Elektromotor 72 und weitere bewegliche Elemente der Reinigungseinrichtung 9 können durch unbewegliche Elemente des Kessels 11, welche zusammengefasst als Gestell 76 bezeichnet werden, fixiert oder gelagert sein.
  • Zur Erfassung der Bewegung oder der Position des Schubglieds 74 ist ein Sensor 75 vorgesehen.
  • Die Fig. 14 zeigt eine Draufsicht auf ein freigestelltes Schubglied 74 der Fig. 13 aus Richtung der Hinterseite der Biomasse-Heizanlage 1 der Fig. 13. Die Fig. 15 zeigt eine Draufsicht auf das freigestellte Schubglied 74 der Fig. 14 aus Richtung der Hinterseite der Biomasse-Heizanlage 1 zusammen mit weiteren Anlagenteilen der Biomasse-Heizanlage 1 der Fig. 13.
  • Zunächst wird aus Gründen der Übersichtlichkeit das Schubglied 74 als Einzelteil erläutert (vgl. Fig. 14), wobei anschließend das Schubglied 74 funktional erläutert wird (vgl. Fig. 15).
  • Das Schubglied 74 kann (in etwa) plattenförmig vorgesehen sein, womit in Fig. 14 eine Draufsicht auf dieses plattenförmige Element dargestellt ist. Beispielsweise kann das Schubglied 74 aus einer zumindest 5 mm, vorzugsweise mindestens 1 cm, dicken Metallplatte hergestellt sein. Dabei kann das Schubglied beispielsweise mittels eines Laserschneidverfahrens als eine Vollplatte herausgeschnitten sein. Weiter kann das Schubglied einstückig vorgesehen sein. Damit ist das Schubglied 74 entsprechend robust und kann die bei den später erläuterten Vorgängen und Bewegungen auch den entsprechend angreifenden Kräften widerstehen.
  • Das Schubglied 74 weist eine besondere Formgebung auf, wie nachstehend erläutert. Das Schubglied 74 weist zwei Führungslöcher 742 auf, welche als Langloch oder Schlitz vorgesehen sind. Alternativ kann das Schubglied (nicht dargestellt) jedoch auch nur eines oder mehr als zwei Führungslöcher aufweisen. Die Längsrichtung bzw. die Längenrichtung der Führungslöcher 742 kann in Bezug auf einen Einbau des Schubglieds 74 im Kessel 11 horizontal vorgesehen sein. Ebenso kann die Längenrichtung der Führungslöcher 742 in der Seitenrichtung des Kessels 11 vorgesehen sein.
  • Die Führungslöcher 742 dienen der beweglichen Lagerung des Schubgliedes 74, was später in Bezug auf Fig. 15 näher erläutert wird.
  • Weiter weist das Schubglied 74, vorzugsweise in Bezug auf die Breitenerstreckung des Schubglieds 74 in etwa oder genau mittig, eine Öffnung 741 zur Aufnahme eines kraftausübenden Elements (wird später in Bezug auf Fig. 15 näher erläutert) auf. Die Öffnung 741 ist als längliche Öffnung mit abgerundeten Enden vorgesehen.
  • Zudem weist das Schubglied 74 zwei Zapfenlöcher 743, vorzugsweise Hebelzapfenlöcher 743 auf. Alternativ kann das Schubglied 74 (nicht dargestellt) auch nur ein oder mehr als zwei Zapfenlöcher aufweisen. Dabei kann die Längenrichtung der Zapfenlöcher 743 in Bezug auf den Kessel 11 in vertikal vorgesehen sein.
  • Ein "Loch" des Schubglieds kann hierbei ein vollständig von Material umschlossenes Loch sein, oder beispielsweise ein Schlitz sein, welcher an einem Ende offen vorgesehen ist.
  • Weiter weist das Schubglied 74 einen später näher erläuterten Anschlag 744 auf.
  • Anzumerken ist, dass die Längenrichtung(en) der Führungslöcher 742 vorzugsweise senkrecht zu den Längenrichtungen der Zapfenlöcher 753 vorgesehen ist.
  • Dieses Schubglied 74 dient als Teil eines (impulserzeugenden) Getriebes der Biomasse-Heizanlage, mit dem vorteilhaft Bewegungsgrößen der einzelnen Teile der Reinigungseinrichtung 9 verändert oder angepasst werden.
  • Insbesondere wird die Drehbewegung der Antriebseinheit 72 mit dem Schubglied 74 in ruckartige bzw. beschleunigte Bewegungen von Reinigungselementen der Biomasse-Heizanlage 1, beispielsweise des Käfigs 48, der Turbulatoren 36, 37 und/oder des Schlaghebels 96 umgesetzt.
  • Dies wird nachstehend mit Bezug auf die Fig. 15 näher erläutert, welche die mechanischen Funktionen des Schubglieds 74 illustriert.
  • In Fig. 15 dargestellt sind Führungszapfen 711, die der beweglichen Lagerung des Schubglieds 74 dienen. In Fig. 15 erstrecken sich die Führungszapfen 711 in die Papierebene hinein bzw. aus dieser heraus. Die Führungszapfen 711 sind stationär im oder am Kessel 11 vorgesehen, und geben zusammen mit den Führungslöchern 742 die Bewegungsfreiheit des Schubglieds 74 vor. Eine Bewegung der Führungszapfen 711 in den Führungslöchern 742 (d.h. eine Bewegung der Führungslöchern 742 relativ zum Schubglied 74) ist mit den beiden Doppelpfeilen in den Führungslöchern 742 angedeutet.
  • In Fig. 15 kann sich das Schubglied in Richtung de Doppelpfeils HR hin- und her bewegen. Das Schubglied 74 ist also in Bezug auf den Kessel 11 seitlich verschiebbar vorgesehen. Das Schubglied 74 ist dabei geradlinig verschiebbar vorgesehen.
  • In anderen Worten kann das Schubglied in einer geradlinigen translatorischen Bewegung bewegt werden.
  • Die mögliche Länge der Bewegung des Schubglieds 74 wird durch die Doppelpfeile FL angegeben, wobei sich diese Länge aus der Länge der Führungslöcher 742 ergibt.
  • Erzeugt wird die Bewegung zumindest größeren Teils in Schubrichtung durch die Antriebseinheit 72 (nicht dargestellt), beispielsweise einen Elektromotor, welcher über einen Freilauf 73 (nicht dargestellt) und ein Kurbelelement 77 antreibt. Das Kurbelelement 77 kann dabei beispielsweise als Kurbelscheibe mit einem (beispielsweise stabförmigen) Kurbelfortsatz 771 vorgesehen sein, oder alternativ als Kurbelhebel mit Kurbelfortsatz 771. Das Kurbelelement 77 dreht sich bzw. kurbelt um die Drehachse 773 des Kurbelelements 77.
  • Die Mittenachse des Kurbelfortsatzes 771 ist in Fig. 15 senkrecht zur Papierebene vorgesehen. Alternativ kann die Mittenachse auch leicht winklig zur Papierebene vorgesehen sein.
  • Auf dem Kurbelfortsatz 771 kann optional zur Verringerung des Verschleißes und für einen besseren Lauf der Mechanik eine Laufrolle 772 vorgesehen sein, wobei die Laufrolle 772 in Fig. 15 gestrichelt dargestellt ist
  • Der Kurbelfortsatz 771 und die optionale Laufrolle 772 ragen durch die Öffnung 741 des Schubglieds 74 hindurch. In anderen Worten bewegt sich der Kurbelfortsatz 771 in der Öffnung 741 des Schubglieds 74. Dabei kann der Kurbelfortsatz 771 oder die Laufrolle 772 an die Ränder der Öffnung 741 anliegen. In vorliegend dargestelltem Fall liegt die Laufrolle 772 mit deren Außenseite an den Innenrändern der Öffnung 741 an.
  • Der effektive Radius der Kurbelbewegung des Kurbelelements 77 ist mit dem von der Drehachse 773 ausgehenden Pfeil RH und der zugehörigen gestrichelten Linie angegeben (d.h., dies ist der Außenradius der Laufrolle bei einer kreisförmigen Bewegung des Kurbelelements 77 mit der Laufrolle 772), womit der Durchmesser der Auslenkung durch das Kurbelelement 77 zweimal der Radius RH ist.
  • Die Drehrichtung des Kurbelelements 77 ist in Fig. 15 mit dem Pfeil DR angegeben.
  • Die Länge FL kann größer als oder gleich der Radius RH mal zwei sein. Die besondere Geometrie der Öffnung 741 (u.A.) kann zu dem Impulseffekt der vorliegenden Abreinigungseinrichtung führen.
  • In Fig. 15 dargestellt, aber nicht näher bezeichnet, sind eine Sechskantmutter und eine Beilagscheibe zur Fixierung der Laufrolle 772 in der Öffnung 741 des Schubglieds 74.
  • Die Öffnung 741 weist eine Breite SB auf, die gleich oder größer als die Breite der Laufrolle 772 oder gleich oder größer als die Breite des Kurbelfortsatzes 771 (ohne Laufrolle) ist.
  • In Fig. 15 gezeigt ist, dass die Breite SB (Schubgliedöffnungsbreite SB) der Öffnung 741 etwas größer ist als der Durchmesser der Laufrolle 771. Damit kann vorzugsweise ein Spiel zur Verschließminimierung vorgesehen sein.
  • Die Länge LB (Schubgliedöffnungslänge) der Öffnung 741 kann weiterhin gleich oder größer als zweimal der Radius RH sein. In Fig. 15 gezeigt ist, dass die Länge SB der Öffnung 741 etwas größer ist als der Durchmesser der effektiven Kurbelbewegung (= 2 x RH).
  • Damit sind das Kurbelelement 77 und die Öffnung 741 derart vorgesehen, dass sich der Kurbelfortsatz 771 und die Laufrolle 772 in der Öffnung 741 zur Schuberzeugung entsprechend bewegen können. Der Bewegungsverlauf ist in Bezug auf die noch nachstehenden Figuren näher beschrieben, worauf verwiesen wird.
  • Weiter ist ein Dämpfungselement 78, beispielsweise eine Spiralfeder oder auch ein Gummielement, vorgesehen. Das Dämpfungselement 78 ist mit einer Dämpfungselementfixierung 781 am Kessel 11 befestigt. Die Dämpfungselementfixierung 781 ist damit unbeweglich vorgesehen. Das Dämpfungselement 78 ist damit bezugnehmend auf Fig. 15 auf dessen linker Seite fixiert.
  • Auf Seiten des Schubglieds 74 ist ein Anschlag 744 für das Dämpfungselement 78 vorgesehen.
  • Mit dem Dämpfungselement 78 wird im Wesentlichen die Bewegung bzw. Beschleunigung des Schubglieds 74 in Impulsrichtung gedämpft bzw. entschleunigt. Dies dient der Verschließminimierung und der Geräuschdämpfung. Mittels der Federkonstante oder der Elastizität des Dämpfungselements 78 kann zudem vorteilhaft die Kinetik des Schubglieds und damit der Reinigungseinrichtung 9 justiert werden. Somit ist beispielsweise die Mittenachse einer Spiralfeder als Dämpfungselement 78 zumindest weitgehend parallel zu den Bewegungsrichtungen HR des Schubglieds 74 vorgesehen.
  • Ausgehend von der Möglichkeit zur Hin- und Herbewegung des Schubglieds 74 in den Richtungen des Doppelpfeils HR gibt es zwei Elemente, die mit dem Schubglied 74 bewegt werden bzw. sich bewegen: die Hebelzapfen 922 der Hebel 921. Anzumerken ist, dass alternativ auch nur ein Element bzw. Hebelzapfen 922 mit entsprechendem Loch vorgesehen sein kann.
  • Die Hebelzapfen 922 und die Hebel 921 werden nachstehend näher erläutert.
  • In Fig. 15 sind die Führungszapfen 711 zugleich die Enden der Achsen der Reinigungswellen 92, wobei die Reinigungswellen 92 und damit die Führungszapfen 711 im Kessel 11 stationär gelagert sind. Die gestrichelt dargestellten Hebel 921 sind an den Reinigungswellen 92 befestigt und die Reinigungswellen 92 können mittels der Hebel 921 gedreht werden und umgekehrt. Die Hebel 921 können beispielsweise stabförmig ausgestaltet sein. Die Hebel 921 der Fig. 15 sind weiter auch in Fig. 13 dargestellt.
  • An den distalen Enden DE der jeweiligen Hebel 921 befinden sich Hebelzapfen 922, welche sich durch die Hebelzapfenlöcher 743 erstrecken. Die Hebelzapfen 922 können sich in den Hebelzapfenlöchern 743 in Richtung der jeweils danebenstehenden Doppelpfeile (auf- und ab) bewegen.
  • Ausgehend von einer Hin- und Herbewegung des Schubglieds 74 können sich die Hebel 921 in dem jeweiligen Winkelbereich S bewegen. Somit bewegen sich die Hebelzapfen 922 (d.h., eine Hin- und Herbewegung des Schubglieds 74) entlang der Kreissegmentlinien, die mit dem jeweiligen Winkel S in Fig. 15 angegeben sind.
  • Im Ergebnis drehen sich die Achsen der Reinigungswellen 92 über die Hebel 921, wenn sich das Schubglied 74 hin- und her bewegt. Dabei können Kräfte in beide Richtungen übertragen werden, d.h., vom Schubglied 74 auf die Reinigungswellen 92 und umgekehrt.
  • Das Schubglied 74 wird weiter abwechselnd in der in Fig. 15 angegebenen Schubrichtung und der ebenso in Fig. 15 angegebenen Impulsrichtung hin- und her bewegt. Dies und das Zusammenspiel des Kurbelelements 77, des Schubglieds 74 und der Reinigungswellen 92 wird nachstehend in Bezug auf die Figuren 16 bis 23 erläutert.
  • Diese Figuren 16 bis 23 zeigen mit jeweils zwei aufeinanderfolgenden Figuren insgesamt vier Zustände der Reinigungseinrichtung 9. Im Einzelnen:
    Die Fig. 16 zeigt eine Hinteransicht der Biomasse-Heizanlage 1 der Fig. 13 und damit das Schubglied 74 der Fig. 14 und Fig. 15 im größeren Kontext der Biomasse-Heizanlage 1. Fig. 17 zeigt eine korrespondierende Ansicht von schräg hinten auf die Biomasse-Heizanlage 1 der Fig. 13 im Ausgangs- oder Ruhezustand mit Einblick in die Biomasse-Heizanlage 1.
  • Fig. 18 zeigt eine Hinteransicht der Biomasse-Heizanlage 1 der Fig. 13 und das Schubglied 74 der Fig. 14 und Fig. 15 im Schubzustand der Reinigungseinrichtung 9. Fig. 19 zeigt eine korrespondierende Ansicht von schräg hinten auf die Biomasse-Heizanlage 1 der Fig. 13 im Schubzustand der Reinigungseinrichtung 9 mit Einblick in die Biomasse-Heizanlage 1.
  • Fig. 20 zeigt eine Hinteransicht der Biomasse-Heizanlage 1 der Fig. 13 und das Schubglied 74 der Fig. 14 und Fig. 15 im Maximalhubzustand der Reinigungseinrichtung 9. Fig. 21 zeigt eine korrespondierende Ansicht von schräg hinten auf die Biomasse-Heizanlage 1 der Fig. 13 im Schubzustand der Reinigungseinrichtung 9 mit Einblick in die Biomasse-Heizanlage 1.
  • Fig. 22 zeigt eine korrespondierende Hinteransicht der Biomasse-Heizanlage 1 der Fig. 13 und das Schubglied 74 der Fig. 14 und Fig. 15 im Fallzustand der Reinigungseinrichtung 9. Fig. 23 zeigt eine korrespondierende Ansicht von schräg hinten auf die Biomasse-Heizanlage 1 der Fig. 13 im Fallzustand der Reinigungseinrichtung 9 mit Einblick in die Biomasse-Heizanlage 1.
  • Gleiche Bezugszeichen in den Figuren 1 bis 24 und insbesondere der Figuren 13 bis 23 offenbaren die gleichen oder technisch übereinstimmende Merkmale, weshalb eine redundante Erläuterung dieser Merkmale bei den nachfolgenden Erläuterungen entfallen kann.
  • Es zeigen die Figuren 16 bis 23 vier Zustände der Reinigungseinrichtung 9, welche bei einem Antrieb durch die Antriebseinheit 72 der Reihe nach durchlaufen werden. Insofern ist auch ein Verfahren zum Abreinigen einer Biomasse-Heizanlage 1 mit zumindest vier Schritten offenbart, wie folgt näher erläutert:
    • (Ruhezustand)
  • Die Figuren 16 und 17 zeigen die Reinigungseinrichtung 9 in einem Ausgangs- / Ruhezustand. In diesem Zustand findet der übliche Betrieb der Biomasse-Heizanlage statt, ohne dass eine Abreinigung stattfinden muss. Insofern kann die Reinigungseinrichtung auch eine längere Zeitdauer in diesem Ruhezustand verbleiben. Damit ist dieser Zustand auch der Ausgangszustand für einen Abreinigungsvorgang bzw. das vorliegende Abreinigungsverfahren.
  • In dem Ausgangszustand befindet sich das Kurbelelement 77 in einer ersten Drehposition (auch als Ausgangsposition bezeichnet), welche in Fig. 16 schematisch durch die Punkt-Strich-Linie angegeben ist, welche sich von der Drehachse 773 des Kurbelelements 77 nach links erstreckt. Die Führungszapfen 711 befinden sich in den Führungslöchern 742 an der rechten Seite der Fig. 16. Das Schubglied 74 ist in Impulsrichtung, d.h. von vorne betrachtet in Richtung der rechten Seite der Biomasse-Heizanlage 1, zumindest weitgehend ausgelenkt.
  • Der Sensor 75, beispielsweise ein magnetisch/induktiver Sensor, kann die Anwesenheit des Schubglieds 74 erfassen und beispielsweise an eine (nicht dargestellte) Steuereinrichtung übermitteln. Damit kann die Biomasse-Heizanlage 1 das Vorliegen des Ruhezustands bzw. des Ausgangszustands erfassen.
  • Dabei ist das Dämpfungselement 78 komprimiert und liegt an dem Anschlag für das Dämpfungselement 744 an. Die beiden Hebel 921 befinden sich in einer Grundposition.
  • Bezugnehmend auf Fig. 17 geben die jeweiligen Doppelpfeile die möglichen Bewegungsrichtungen der einzelnen Reinigungselemente an. Ein Reinigungselement kann beispielsweise der Käfig 48 und/oder ein einzelne Turbulator oder auch mehrere Turbulatoren 36, 37 und/oder der Schlaghebel 96 sein.
  • Diese Reinigungselemente befinden sich im Ausgangszustand der Reinigungseinrichtung in einer Position, bei denen die Reinigungselemente zumindest weitgehend in Bezug auf deren vertikalen Bewegungsspielraum unten angeordnet sind.
  • Diese untere Position ist in Fig. 17 beispielhaft in Bezug auf das obere Ende der Turbulatoren mit H1 angegeben. Ebenso befindet sich der Käfig 48 in einer unteren Position. Diese Position ist in Bezug auf ein oberes Ende des Käfigs 48 in Fig. 17 ebenso mit H1 angegeben, wobei das Zusammenfallen der beiden Höhen der Reinigungselemente vorliegend lediglich zufällig ist. Der Käfig 48 und die Turbulatoren 36 und 37 können generell auch in unterschiedlichen Höhenlagen angeordnet sein.
  • Damit ist die relative potentielle Energie der Reinigungslemente im Ausgangszustand gering oder Null.
    • (Schubzustand)
  • Die Figuren 18 und 19 zeigen die Reinigungseinrichtung 9 in einem Schubzustand. Zu Beginn dieses Zustands wird eine Abreinigung gestartet oder fortgeführt. Die Antriebseinheit 72 dreht das Kurbelelement 77 aus dessen Ausgangsposition bzw. ersten Kurbeldrehposition (kurz: erste Position) in Richtung der Drehrichtung DR und schiebt damit das Schubglied 74 in Schubrichtung (in Fig. 18 nach rechts, aus Sicht der Vorderseite der Biomasse-Heizanlage 1 nach links).
  • In dem Schubzustand befindet sich das Kurbelelement 77 zwischen dessen Ausgangsposition und der später in Bezug auf Fig. 20 erläuterten Selbstlaufstartposition des Kurbelelements 77. In Fig. 18 ist eine dieser möglichen Positionen beispielhaft durch die Punkt-Strich-Linie angegeben, welche sich von der Drehachse 773 des Kurbelelements 77 nach unten erstreckt.
  • Die Führungszapfen 711 befinden sich in den Führungslöchern 742 in einem mittigen Bereich. Das Schubglied 74 befindet zwischen der maximal linken und maximal rechten Auslenkungsposition.
  • Dabei wird das Dämpfungselement 78 entspannt und kann zumindest während eines Teils dieses Zustands weiterhin an dem Anschlag für das Dämpfungselement 744 anliegen. In dem Dämpfungselement 78, vorliegend beispielhaft eine Spiralfeder, ist weiterhin ein optionaler Dämpfungselementgegenanschlag 782 vorgesehen, der die maximale Kompression des Dämpfungselements 78 begrenzt und die Bewegung des Schubglieds in Impulsrichtung beschränkt.
  • Über die beiden Hebel 921 und die Reinigungswellen 92 werden die Reinigungselemente im Schubzustand aufgrund der Drehung des Kurbelelements 77 und der resultierenden Bewegung des Schubglieds 74 in Schubrichtung angehoben. In Fig. 19 wird diese Höhenänderung durch einen Vergleich einer beispielhaften Höhe H2 im Schubzustand mit der Höhe H1 im Ausgangszustand beispielhaft verdeutlicht.
  • Die Höhenänderung der Reinigungselemente erfolgt in diesem Zustand relativ gelichmäßig, falls die Antriebseinheit 72 mit einer gleichbleibenden Drehzahl betrieben wird. Dies ist grundsätzlich erwünscht, da dies den Verschleiß der Antriebseinheit 72 reduziert und auch die Komplexität der Ansteuerung der Antriebseinheit deutlich verringert.
  • Damit erhöht sich im Schubzustand die relative potentielle Energie der Reinigungselemente mit dem wachsenden Vorschub des Schubglieds 78 in Schubrichtung bzw. mit der Weiterdrehung des Kurbelelements 77.
  • Der Sensor 75 erfasst in diesem Zustand, dass sich das Schubglied 74 nicht mehr im Ausgangszustand befindet. Somit ist eine positive Erfassung möglich, dass eine Abreinigung der Biomasse-Heizanlage stattfindet.
    • (Maximalhubzustand)
  • Die Figuren 20 und 21 zeigen die Reinigungseinrichtung 9 in einem Maximalhubzustand.
  • Das Schubglied 74 ist in Schubrichtung, d. h. von vorne betrachtet in Richtung der linken Seite der Biomasse-Heizanlage 1, zumindest weitgehend ausgelenkt.
  • In dem Maximalhubzustand ist zudem die größte Höhenauslenkung der Reinigungselemente erreicht, wie aus Fig. 21 mit der Höhe H3 im Vergleich zur Höhe H1 ersichtlich. Die relative potentielle Energie der Reinigungselemente ist maximal.
  • Die Antriebseinheit 72 hatte im Schubzustand das Schubglied bis zu einer maximalen Auslenkung in Schubrichtung bewegt, bis der Maximalhubzustand der Reinigungseinrichtung 9 erreicht wird (in Fig. 20 befindet sich das Schubglied maximal rechts, aus Sicht der Vorderseite der Biomasse-Heizanlage 1 maximal links).
  • Die Führungszapfen 711 befinden sich in den Führungslöchern 742 der Fig. 20 auf der linken Seite. Entsprechend sind die Hebel 922 nun im Vergleich zur Fig. 16 auf die jeweilig andere Seite ausgelenkt.
  • Das Dämpfungselement 78 ist expandiert und berührt das Schubglied 74 nicht mehr.
  • Es befindet sich das Kurbelelement 77 in einer weiteren (zweiten) vorbestimmten Kurbeldrehposition (diese kann auch als Selbstlaufstartposition bezeichnet werden), welche in Fig. 20 schematisch durch die Punkt-Strich-Linie angegeben ist, die sich von der Drehachse 773 des Kurbelelements 77 nach rechts erstreckt.
  • In dem Maximalhubzustand und damit der vorbestimmten Kurbeldrehposition (Selbstlaufstartposition) des Kurbelelements 77 drückt das Eigengewicht der Reinigungselemente die Hebel 94 (mit welchen die Reinigungselemente an den Reinigungswellen 92 gelagert sind) nach unten, erzeugt somit Drehmomente der Reinigungswellen 92, was wiederum als Kraft bzw. Moment an den distalen Enden der Hebel 921 an das Schubglied 74 weitergegeben wird.
  • Kurz gesagt drückt das Eigengewicht der Reinigungselemente das Schubglied 74 in Impulsrichtung, wobei diese Kraft über die Hebel der Reinigungswelle 92 vermittelt wird.
  • Überschreitet nun das Kurbelelement 77 die vorbestimmte Kurbeldrehposition im Maximalhubzustand (vgl. die Punkt-Strich-Linie in Fig. 20), so wird das Kurbelelement 77 nicht mehr in entgegen der Drehrichtung DR gedrückt, sondern durch das Schubglied 74 in Drehrichtung DR bewegt. Dieser Wechsel ist aufgrund der Geometrie der Öffnung 741 und der Lage des Kurbelelements 77 zu der Öffnung 741 definiert.
  • Da ein Freilauf 73 (bzw. eine Überholkupplung) vorgesehen ist, kann das Kurbelelement 77 diesem Druck bzw. der ausgeübten Kraft nachgeben, und sich unabhängig von der Antriebseinheit in Drehrichtung DR weiterbewegen.
  • Folglich wird das Schubglied 74 im Schubzustand geschoben, bis es den Maximalhubzustand und die Selbstlaufstartposition des Kurbelelements 77 erreicht. Danach schiebt das Schubglied 74 das Kurbelelement 77 weiter in Drehrichtung DR. Damit ist der Fallzustand erreicht, welcher nachstehend beschrieben wird.
    • (Fallzustand)
  • Im Fallzustand, welcher in den Figuren 23 und 24 beschrieben ist, "fallen" die Reinigungselemente nach unten, da die Reinigungswelle 92 und das Schubelement 74 dieser Abwärtsbewegung aufgrund des Freilaufs keinen Widerstand entgegensetzen. Wie in Fig. 23 aus einem Vergleich der Höhen H4 mit H3 zu sehen ist, nimmt die (vorliegend lediglich beispielhaft angegebene) Höhe ab.
  • Damit beginnt die Mechanik der Reinigungseinrichtung 9 bei Überschreiten der Selbstlaufstartposition des Kurbelelements 77 von selbst zu laufen, d. h., diese bewegt sich im Fallzustand unabhängig von der Antriebseinheit 72.
  • In Fig. 22 ist durch die Punkt-Strich-Linie, die sich von der Drehachse 773 des Kurbelelements 77 nach oben erstreckt, schematisch eine Drehposition des Kurbelelements 77, angegeben. Dabei überstreicht das Kurbelelement 77 im Fallzustand den Drehbereich von der Selbstlaufstartposition bzw. zweiten Kurbeldrehposition (kurz: zweite Position) bis hin zur vorher beschriebenen Ausgangsposition bzw. ersten Position. Das Schubglied bewegt sich in Fig. 22 in Impulsrichtung, d. h., nach links.
  • Der Fallzustand beinhaltet einen relativ freien Fall der Reinigungselemente, welcher nur durch diverse Reibungseinflüsse (beispielsweise die Reibung der Reinigungswelle 92 in deren Lagern oder die Reibung der Turbulatoren in den Kesselrohren 32) etwas gebremst wird. In Spiel kommt noch ein gewisses Trägheitsmoment des Schubglieds 32, welches jedoch ebenso geringfügig ist.
  • Folglich werden die Reinigungselemente im Fallzustand (nach Überschreiten der Selbstlaufstartposition) stark beschleunigt. Die zuvor gewonnene potentielle Energie der Reinigungselemente wird in kinetische Energie umgesetzt. Die Größe der Beschleunigung kann vorteilhaft mit dem Dämpfungselement 78, beispielsweise mit der Federkonstante einer Spiralfeder oder eines Öldruckzylinders, eingestellt werden, so wie das nach dem Eigengewicht der Reinigungselemente und der Kinetik der Mechanik der Reinigungseinrichtung anwendungsspezifisch erforderlich ist.
  • Der Beschleunigungsvorgang der Reinigungselemente und auch des Schubglieds 74 im Fallzustand verbessert die Abreinigungseffekte im Kessel 11 erheblich. Auch aufgrund der resultierenden erhöhten Geschwindigkeit sind die diversen mechanischen Abreinigungseffekte verbessert. Beispielsweise schlägt der Schlaghebel 96, welcher ebenso über die Reinigungswellen 92 betätigt wird, schneller an die Sprühelektrode des Elektrofilters 45 an. Ebenso führt eine schnellere Bewegung der Turbulatoren im Wärmetauscher zu einem besseren Effekt des Aufbrechens von festeren Anbackungen oder Anhaftungen.
  • Am Ende des Fallzustands befindet sich das Schubglied 74 wieder zumindest weitgehend auf der linken Seite der Fig. 22, und die Reinigungselemente befinden sich wieder zumindest annähernd auf der Höhe H1 der Fig. 16 und 22.
  • Am Ende des Fallzustands kann des Weiteren das Schubglied 74 mit seinem Anschlag 744 auf den Dämpfungselementgegenanschlag 782 aufschlagen. Damit erfolgt ein Stoß in den Kessel 11 hinein, der Fall wird abgefangen.
  • Alternativ kann zur Beendigung des Fallzustands auch das Dämpfungselement 78 maximal komprimiert sein. Insofern ist ein Dämpfungselementgegenanschlag 782 nicht unbedingt erforderlich. Allerdings kann der Dämpfungselementgegenanschlag 782 dafür sorgen, dass ein Dämpfungselement 78 nicht über die Maße belastet und u.U. zu stark abgenutzt wird. Bei einer Spiralfeder könnte beispielsweise ohne einen Dämpfungselementgegenanschlag 782 eine Überstauchung der Spiralfeder mit resultierendem Federbruch erfolgen.
  • Bei dem Anschlagen des Schubglieds 74 und der resultierenden spontanen Abbremsung des Reinigungselements wird ein Stoß in der Mechanik der Reinigungseinrichtung 9 erzeugt, der mitunter heftig ausfallen kann.
  • Zur Verdeutlichung: Fällt beispielsweise ein Reinigungselement (beispielsweise die Turbulatoren) ungebremst um 10 cm herab, so weist das Reinigungselement beim Aufschlag des Anschlags 744 auf den Gegenanschlag 782 eine Endgeschwindigkeit von grob 1,4 m/s auf.
  • Geht man nun beispielsweise von einem Eigengewicht dieses Reinigungselements von 30 kg aus, dann hat das Reinigungselement am Ende des Fallens eine kinetische Energie von grob 29,4 Joule, welche als Einzelstoßenergie zu werten ist.
  • Damit erfährt die gesamte Mechanik der Reinigungseinrichtung 9 einen starken Stoß, der über die Anschläge zudem auch in den Kessel 11 abgegeben werden kann.
  • Die Reinigungseinrichtung 9 erzeugt durch das schnelle Abbremsen folglich einen Abrütteleffekt, den herkömmliche linear arbeitende Reinigungseinrichtungen nicht erzeugen.
  • Damit resultiert die vorstehend beschriebene Reinigungseinrichtung 9 zu einem verbesserten Abreinigungseffekt, da sich auch festere Anbackungen oder stärkere Anhaftungen von Verbrennungsrückständen im Kessel lösen können. Werden nun die Verbrennungsrückstände besser abgereinigt, so ist die Effizienz des Kessels 11 verbessert und es werden die Emissionen gesenkt.
  • Zudem wird durch das Dämpfungselement vorteilhaft die Lautstärke der Abreinigung gesenkt.
    • (Alternatives Schubglied)
  • Fig. 24 offenbart ein weiteres Schubglied 74 mit einer alternativen Formgebung der Öffnung 741. Das weitere Schubglied 74 ist in der gleichen Art und Weise in die Biomasse-Heizanlage 1 integriert, wie das Schubglied 74 der Figuren 13 bis 23. Auf die vorstehenden Erläuterungen wird deshalb verwiesen, welche auch mit dem Schubglied 74 der Fig. 24 realisiert werden können. Die einzelnen Zustände des Schubglieds 74 der Figuren 13 bis 23 entsprechen denjenigen der Fig. 14.
  • Das Kurbelelement 771 befindet sich in der Fig. 24 in der Ausgangsposition.
  • Die Öffnung 741 weist auf der rechten Seite eine Stufe 745 auf. Diese Stufe 745 ist derart angeordnet, dass der Kurbelfortsatz 771 oder die Laufrolle 771 am Ende des Schubzustands (beim Maximalhubzustand) über die Stufe 745 bewegt wird, und es wird das Schubglied 74 ruckartig in Impulsrichtung bewegt. Damit wird eine noch stärkere Beschleunigung beim Übergang in den Fallzustand erzeugt, da das Schubglied 74 zu Beginn nicht gegen das Beharrungsvermögen des Freilaufs geschoben wird.
  • Zudem ist bei dem weiteren Schubglied der Fig. 24 kein Dämpfungselement vorhanden. Insofern erfolgt die Bewegung in Impulsrichtung ungebremst. Ein Anschlag am Ende des Fallzustands kann alternativ zu dem Anschlag der Fig. 15 auf die Führungszapfen an den Enden der Führungslöcher erfolgen. Insofern kann auch hier ein definiertes Abbremsen am Ende des Falls erzeugt werden.
  • Es erfolgt mit dem Schubglied 74 der Fig. 24 vorteilhaft eine verstärkte doppelte Beschleunigung, einmal zu Beginn des Fallzustands und einmal am Ende, womit der Abrütteleffekt betreffend der Verunreinigungen nochmals verbessert wird. Allerdings gelangt auch das Schubglied 74 der Figuren 13 bis 23 recht schnell vom Maximalhubzustand in den Fallzustand, da ein Freilauf, insbesondere ein Kugellagerfreilauf, annähernd trägheitsfrei realisiert werden kann.
  • Die Öffnung 741 ist vorliegend annähernd L-förmig vorgesehen. Alternative Formgebungen der Öffnung 741 sind aber auch denkbar.
  • Die Vorteile des weiteren Schubglieds der Fig. 24 entsprechen weiter denen des Schubglieds 74 der Figuren 13 bis 23.
    • (Modularisierung von Anlagen- und Kesselkomponenten)
  • Bevorzugt ist die Biomasse-Heizanlage 1 derart ausgestaltet, dass die komplette Antriebsmechanik im unteren Kesselbereich (u.a. Drehrostmechanik inkl. Drehrost, Wärmetauscherreinigungsmechanik, Antriebsmechanik für Schubboden, Mechanik für Filtereinrichtung, Reinigungskorb und Antriebswellen und Ascheaustragungsschnecke) im "Schubladenprinzip" schnell und effizient entnommen und wieder eingesetzt werden kann. Dies erleichtert Wartungsarbeiten.
    • (Weitere Ausführungsformen)
  • Die Erfindung lässt neben den erläuterten Ausführungsformen und Aspekten weitere Gestaltungsgrundsätze zu. So können einzelne Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen und Aspekte auch beliebig miteinander kombiniert werden, solange dies für den Fachmann als ausführbar ersichtlich ist.
  • Obschon zwei Führungslöcher 742 mit zwei Führungszapfen 711 vorgesehen sind, so kann beispielsweise auch nur ein Führungsloch 742 mit zwei Führungszapfen 711 vorgesehen sein. Oder aber können auch drei Führungslöcher 742 mit drei Führungszapfen vorgesehen sein. Insofern ist die Anzahl der Führungslöcher nicht auf zwei beschränkt. Das Gleiche gilt für die Zapfenlöcher 743.
  • Obschon zwei Reinigungswellen 92 mit zwei Hebeln 921 offenbart sind, kann auch eine unterschiedliche Anzahl von Reinigungswellen 92 und Hebel 921 vorhanden sein, beispielsweise eine oder drei.
  • Obschon beispielhaft mehrere Reinigungselemente offenbart sind, reicht es auch aus, dass nur ein einzelnes Reinigungselement vorgesehen ist.
  • Weiter können anstatt von nur drei Drehrostelementen 252, 253 und 254 auch zwei, vier oder mehr Drehrostelemente vorgesehen sein. Bei beispielsweise fünf Drehrostelementen könnten diese mit der gleichen Symmetrie und Funktionalität angeordnet sein, wie bei den vorgestellten drei Drehrostelementen. Zudem können die Drehrostelemente auch unterschiedlich zueinander geformt oder ausgebildet sein. Mehr Drehrostelemente haben den Vorteil, dass die Brecherfunktion verstärkt wird.
  • Zu den angegebenen Maßen ist anzumerken, dass auch abweichend von diesen andere Maße bzw. Maßkombinationen vorgesehen werden können.
  • Anstelle der konvexen Seiten der Drehrostelemente 252 und 254 können auch konkave Seiten dieser vorgesehen sein, wobei die Seiten des Drehrostelements 253 in Folge komplementär konvex geformt sein können. Dies ist funktional annähernd gleichwertig.
  • Obschon beispielsweise 10 (zehn) Sekundärluftdüsen 291 offenbart sind, kann (je nach Dimensionierung der Biomasse-Heizanlage) auch eine andere Anzahl von Sekundärluftdüsen 291 vorgesehen sein.
  • Die Rotationsströmung bzw. Wirbelströmung in der Brennkammer 24 kann rechtsdrehend oder linksdrehend vorgesehen sein.
  • Die Brennkammerdecke 204 kann auch abschnittsweise, beispielsweise stufenförmig, geneigt vorgesehen sein.
  • Die Sekundärluftdüsen 291 sind nicht auf rein zylindrische Bohrungen in den Brennkammersteinen 291 beschränkt. Diese können auch als kegelstumpfförmige Öffnungen oder taillierte Öffnungen ausgebildet sein.
  • Die Sekundär(re)zirkulation kann auch nur mit Sekundärluft bzw. Frischluft beströmt werden, und insofern nicht das Rauchgas rezirkulieren, sondern lediglich Frischluft zuführen.
  • Die in Bezug auf die beispielhaften Ausführungsformen angegebenen Maße und Anzahlen sind lediglich beispielhaft zu verstehen. Diese vorliegend offenbarte technische Lehre ist nicht auf diese Maße beschränkt und kann beispielsweise bei Abwandlung der Dimensionierung des Kessels 11 (kW) abgewandelt werden.
  • Als Brennstoffe der Biomasse-Heizanlage können auch andere Brennstoffe als Hackgut oder Pellets verwendet werden.
  • Die vorliegend offenbarte Biomasse-Heizanlage kann auch ausschließlich mit einer Art eines Brennstoffs befeuert werden, beispielsweise nur mit Pellets.
  • Die hierin offenbarten Ausführungsformen wurden zur Beschreibung und zum Verständnis der offenbarten technischen Sachverhalte bereitgestellt und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
    • (Bezugszeichenliste)
    • 1
    Biomasse-Heizanlage
    11
    Kessel
    12
    Kesselfuß
    13
    Kesselgehäuse
    14
    Wasserzirkulationseinrichtung
    2
    Brenneinrichtung
    21
    erste Wartungsöffnung für Brenneinrichtung
    22
    Drehmechanikhalterung
    23
    Drehmechanik
    24
    Brennkammer
    25
    Drehrost
    26
    Primärverbrennungszone der Brennkammer
    27
    Sekundärverbrennungszone bzw. Strahlungsteil der Brennkammer
    28
    Brennstoffbett
    29
    Brennkammersteine
    A1
    erste Horizontalschnittlinie
    A2
    erste Vertikalschnittlinie und vertikale Mittenachse der ovalen Brennkammer 24
    201
    Zündeinrichtung
    202
    Brennkammerschräge
    203
    Brennkammerdüse
    204
    Brennkammerdecke
    231
    Antrieb bzw. Motor(en) der Drehmechanik
    251
    Bodenplatte des Drehrosts
    252
    Erstes Drehrostelement
    253
    Zweites Drehrostelement
    254
    Drittes Drehrostelement
    255
    Übergangselement
    256
    Öffnungen
    257
    Rostlippen
    258
    Verbrennungsfläche
    260
    Auflageflächen der Brennkammersteine
    261
    Nut
    262
    Vorsprung
    263
    Ring
    264
    Halterungssteine
    265
    Schräge der Halterungssteine
    3
    Wärmetauscher
    31
    Wartungsöffnung für Wärmetauscher
    32
    Kesselrohre
    33
    Kesselrohreintritt
    34
    Wendekammereintritt
    35
    Wendekammer
    36
    Federturbulator
    37
    Band- oder Spiralturbulator
    38
    Wärmetauschmedium
    4
    Filtereinrichtung
    41
    Abgasausgang
    42
    Elektrodenversorgungsleitung
    43
    Elektrodenhalterung
    44
    Filtereintritt
    45
    Elektrode
    46
    Elektrodenisolation
    47
    Filteraustritt
    48
    Käfig
    5
    Rezirkulationseinrichtung
    51, 54
    Rezirkulationskanal / Rezirkulationskanäle
    52
    Klappen
    53
    Rezirkulationseintritt
    6
    Brennstoffzufuhr
    61
    Zellradschleuse
    62
    Achse der Brennstoffzufuhr
    63
    Übersetzungsmechanik
    64
    Brennstoffzufuhrkanal
    65
    Brennstoffzufuhröffnung
    66
    Antriebsmotor
    67
    Brennstoff-Förderschnecke
    7
    Ascheabfuhr
    71
    Ascheaustragungsschnecke
    72
    Antriebseinheit
    73
    Freilauf
    74
    Schubglied
    75
    Sensor
    76
    Gestell
    77
    Kurbelelement
    78
    Dämpfungselement
    79
    Aschebehälter
    81
    Lagerachsen
    82
    Drehachse
    83
    Brennstoff-Niveauklappe
    96
    Schlaghebel
    831
    Hauptfläche
    832
    Mittenachse
    835
    Oberflächenparallele
    84
    Lagerkerbe
    85
    Sensorflansch
    86
    Glutbetthöhenmessmechanik
    9
    Reinigungseinrichtung
    91
    Reinigungsantrieb
    92
    Reinigungswellen
    93
    Wellenhalterung
    94
    Fortsatz
    95
    Turbulatorhalterungen
    951
    Drehlageraufnahme
    952
    Fortsätze
    953
    Durchlässe
    954
    Ausnehmungen
    955
    Drehlagergestänge
    96
    zweiarmiger Schlaghebel
    97
    Anschlagkopf
    204
    Brennkammerdecke
    211
    Dämmmaterial, beispielsweise Vermiculite
    291
    Sekundärluft bzw. Rezirkulationsdüsen
    E
    Einschubrichtung des Brennstoffs
    331
    Isolation am Kesselrohreintritt
    481
    Käfighalterung
    711
    Führungszapfen u. U. Achse der Reinigungswellen 92
    721
    Achse
    722
    Anschlusseinheit
    723
    Getriebe und/oder Freilauf
    741
    Öffnung des Schubglieds
    742
    Führungsloch
    743
    Hebelzapfenloch
    744
    Anschlag für das Dämpfungselement
    745
    Stufe
    771
    Kurbelfortsatz
    772
    Laufrolle
    773
    Drehachse des Kurbelelements
    774
    vorbestimmte Kurbeldrehposition
    781
    Dämpfungselementfixierung
    782
    Dämpfungselementgegenanschlag
    S
    Hebelwinkel
    RH
    (Wirkungs-) Radius des Hebels
    DR
    Drehrichtung
    HR
    Richtungen der Hin- und Herbewegung
    SB
    Schlitzbreite
    FL
    Führungslochlänge
    FG
    Gewichtskraft auf das Schubglied
    SB
    Schubgliedöffnungsbreite
    LB
    Schubgliedöffnungslänge
    921
    Hebel
    922
    Hepelzapfen
    DE
    distales Ende des Hebels
    H1
    Höhe im Ruhezustand
    H2
    weitere Höhe im Schubzustand
    H3
    weitere Höhe beim Übergang in den Fallzustand
    H4
    weitere Höhe im Fallen

Claims (21)

  1. Biomasse-Heizanlage (1) zur Verfeuerung von Brennstoff in Form von Pellets und/oder Hackgut, aufweisend:
    einen Kessel (11) mit einer Brenneinrichtung (2),
    einen Wärmetauscher (3) mit einer Mehrzahl von Kesselrohren (32),
    eine Reinigungseinrichtung (9), welche das Folgende aufweist:
    eine Antriebseinheit (72) zum Antrieb der Reinigungseinrichtung (9),
    die Biomasse-Heizanlage (1) dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungseinrichtung (9) weiter das Folgende aufweist:
    ein Kurbelelement (77), das über einen Freilauf (73) mit der Antriebseinheit (72) gekoppelt ist, wobei die Antriebseinheit das Kurbelelement in einer Drehrichtung (DR) antreiben kann,
    ein Schubglied (74), das hin- und her bewegbar vorgesehen ist und das mit dem Kurbelelement (77) gekoppelt ist;
    zumindest eine Reinigungswelle (92), die mit dem Schubglied (74) wirkverbunden gekoppelt ist,
    zumindest ein Reinigungselement (36, 37, 48, 96), das mit der Reinigungswelle (92) wirkverbunden angeordnet ist;
    wobei die Reinigungseinrichtung (9) derart eingerichtet ist, dass das Schubglied (74) bei Drehung des Kurbelelements in Drehrichtung (DR) durch die Antriebseinheit in einer Schubrichtung verschoben wird; und
    das Schubglied (74), nach dem Überschreiten einer vorbestimmten Kurbeldrehposition des Kurbelelements (77), in einer Impulsrichtung, die der Schubrichtung entgegengesetzt ist, verschoben wird.
  2. Biomasse-Heizanlage (1) gemäß Anspruch 1, wobei die Reinigungseinrichtung (9) derart eingerichtet ist, dass
    die Bewegung des Schubglieds (74) in Impulsrichtung nicht durch die Antriebseinheit (72) erfolgt.
  3. Biomasse-Heizanlage (1) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Reinigungseinrichtung (9) derart eingerichtet ist, dass
    die Bewegung des Schubglieds (74) in Impulsrichtung durch ein Drehmoment der Reinigungswelle (92) bewirkt wird.
  4. Biomasse-Heizanlage (1) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei
    das zumindest eine Reinigungselement (36, 37, 48, 96) bis zum Erreichen der vorbestimmten Kurbeldrehposition durch die Drehung des Kurbelelements angehoben wird, und
    das zumindest eine Reinigungselement (36, 37, 48, 96) nach dem Überschreiten der vorbestimmten Kurbeldrehposition aufgrund des Eigengewichts des zumindest einen Reinigungselements beschleunigt oder schlagartig herabfällt.
  5. Biomasse-Heizanlage (1) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Reinigungseinrichtung (9) derart eingerichtet ist, dass
    die Bewegung des Schubglieds (74) in Schubrichtung zumindest annähernd gleichförmig erfolgt.
  6. Biomasse-Heizanlage (1) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Reinigungseinrichtung (9) derart eingerichtet ist, dass
    die Bewegung des Schubglieds (74) in Impulsrichtung beschleunigt erfolgt.
  7. Biomasse-Heizanlage (1) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei
    das Schubglied (74) eine Öffnung (741) für einen Kurbelfortsatz (771) des Kurbelelements (77) aufweist.
  8. Biomasse-Heizanlage (1) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei
    das Schubglied (74) zur beweglichen Führung des Schubglieds (74) zumindest ein längliches Führungsloch (742) zur Aufnahme zumindest eines Führungszapfens (711) aufweist.
  9. Biomasse-Heizanlage (1) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei
    das Schubglied (74) geradlinig hin- und her bewegbar angeordnet ist.
  10. Biomasse-Heizanlage (1) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei
    die zumindest eine Reinigungswelle (92) einen Hebel (921) mit einem Hebelzapfen (922) an einem bezüglich der Reinigungswelle (92) distalen Ende (DE) des Hebels aufweist; und
    das Schubglied (74) zumindest ein längliches Hebelzapfenloch (743) zur beweglichen Aufnahme des Hebelzapfens (743) aufweist.
  11. Biomasse-Heizanlage (1) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei
    das zumindest eine Reinigungselement (36, 37, 48, 96) zumindest einen Turbulator (36, 37), vorzugsweise einen Spiralturbulator (36) und/oder einen Bandturbulator (37), ist, der bzw. die in zumindest einem Kesselrohr (32) des Wärmetauschers (3) vorgesehen ist oder sind.
  12. Biomasse-Heizanlage (1) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei
    die Reinigungseinrichtung (9) derart eingerichtet ist, dass
    der Freilauf (73) das Drehmoment des Motors (72) in Drehrichtung (DR) des Kurbelelements (77) überträgt; und
    der Freilauf bei Überschreiten der vorbestimmten Kurbeldrehposition des Kurbelelements (77) eine Weiterdrehung des Kurbelelements (77) in Drehrichtung (DR) freigibt.
  13. Biomasse-Heizanlage (1) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei das Schubglied (74) einen Anschlag (744) als Endanschlag für die Bewegung in Impulsrichtung aufweist.
  14. Biomasse-Heizanlage (1) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei
    eine Öffnung (741) des Schubglieds (74) zur Aufnahme einer Laufrolle (772) des Kurbelfortsatzes (771) vorgesehen ist.
  15. Biomasse-Heizanlage (1) gemäß Anspruch 14, wobei
    die Öffnung (741) des Schubglieds (74) eine Stufe (745) aufweist, die durch die Laufrolle (772) bei Erreichen der vorbestimmten Kurbeldrehposition überschritten wird.
  16. Biomasse-Heizanlage (1) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, weiter aufweisend:
    ein Dämpfungselement (78), vorzugsweise eine Feder, welches derart angeordnet ist, dass das Dämpfungselement (78) die Bewegung des Schubglieds (74) in Schubrichtung dämpft.
  17. Biomasse-Heizanlage (1) gemäß Anspruch 16, wobei:
    eine Kontraktions- und Expansionsrichtung des Dämpfungselements (78) zumindest annähernd parallel zur Richtung der Hin- und Herbewegung des Dämpfungselements (78) vorgesehen ist.
  18. Biomasse-Heizanlage (1) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei
    das Schubglied (74) plattenförmig vorgesehen ist, und/oder wobei
    ein Ende der zumindest einen Reinigungswelle (92) als Führungszapfen (711) zur Aufnahme in längliches Führungsloch (742) dient.
  19. Biomasse-Heizanlage (1) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend:
    eine elektrostatische Filtereinrichtung (4) mit einer Sprühelektrode und einem Reinigungskäfig als Gegenelektrode, wobei
    das Reinigungselement ein Schlaghebel (96) ist; und wobei
    der Schlaghebel mit der Reinigungswelle (92) wirkverbunden ist und derart angeordnet sind, dass der Schlaghebel bei einer ruckartigen Drehung der Reinigungswelle (92) an die Sprühelektrode zur Reinigung anschlägt.
  20. Biomasse-Heizanlage (1) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei
    ein Sensor (75), beispielsweise ein induktiver Positionsschalter, zur Erfassung der Position oder der Endstellung des Schubglieds (74) vorgesehen ist.
  21. Biomasse-Heizanlage (1) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei
    eine Ascheaustragungsschnecke (71) der Biomasse-Heizanlage (1) ebenso durch die Antriebseinheit (72) angetrieben wird.
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