NO153346B

NO153346B - Radiation shield for solid fuel boiler.

Info

Publication number: NO153346B
Application number: NO840227A
Authority: NO
Inventors: Lars Leksander Slyn Joergensen
Original assignee: Joergensen Lars Leksander S
Priority date: 1982-05-26
Filing date: 1984-01-23
Publication date: 1985-11-18
Also published as: JPS59500983A; DK148668C; NO153346C; NO840227L; FI73813C; DK236582A; FI840189A; DK148668B; FI840189A0; FI73813B; EP0110906B1; EP0110906A1; WO1983004296A1; DE3362762D1

Description

Denne oppfinnelse vedrører en kjel til forbrenning av fast brensel, som kan avgi brennbare gasser, og som er bygget opp med opphengt tennbue over fyringsstedet. This invention relates to a boiler for burning solid fuel, which can emit flammable gases, and which is built up with a suspended spark arc above the firing point.

Kjeler av dette slag har tidligere vært meget alminnelig utbredt og er etter de senere års voldsomme prisstigninger på brenselolje og naturgass igjen blitt økonomisk attraktive, særlig for større oppvarmingsanlegg. Ikke minst kjeler til forbrenning av kull, som ved oppvarming avgir brennbare gasser, er av interesse, ettersom kull fra et prismessig synspunkt er et fordelaktig brensel og forventes å ville være det over en lengre årrekke. Det er kjent at kjeler, som forbrenner kull, ifølge kjente konstruksjoner normalt har virkningsgrader på maksimalt 78 % av kullets teoretiske varmeinnhold, litt avhengig av kulltypen og kjelens konstruksjon, Årsaken til at virkningsgraden ikker er høyere er at de brennbare gasser som kullet avgir i stor utstrekning unn-slipper i uforbrent tilstand via skorsteinen og går tapt. Bare i høytrykks-kjeler, hvor forbrenningskammerets temperatur er svært høy, og hvor temperaturen i kjelens utbrenningsåpning derfor ligger betydelig over gassenes antennelsestemperatur, kan det oppnås en stort sett fullstendig forbrenning av de avgitte gasser med sekundærluft og en virkningsgrad på omkring 90 %. Ved kjeler til oppvarming av vann er det ikke kjent noen effektiv og billig konstruksjon til oppnåelse av en slik virkningsgrad. Boilers of this type have previously been very common and, after recent years' violent price increases for fuel oil and natural gas, have again become economically attractive, especially for larger heating systems. Not least coal-burning boilers, which emit flammable gases when heated, are of interest, as coal is an advantageous fuel from a price point of view and is expected to remain so for a number of years. It is known that boilers that burn coal, according to known constructions, normally have efficiencies of a maximum of 78% of the coal's theoretical heat content, somewhat depending on the type of coal and the construction of the boiler. The reason why the efficiency is not higher is that the combustible gases that the coal emits in large extent escapes unburnt via the chimney and is lost. Only in high-pressure boilers, where the temperature of the combustion chamber is very high, and where the temperature in the combustion opening of the boiler is therefore significantly above the ignition temperature of the gases, can an almost complete combustion of the emitted gases with secondary air and an efficiency of around 90% be achieved. In the case of boilers for heating water, no effective and cheap construction is known to achieve such an efficiency.

Formålet med oppfinnelsen er å skaffe til veie en konstruksjon som ved anvendelse i stort sett kjente kjeler til oppvarming av vann ved forbrenning av fast brensel som avgir brennbare gasser, spesielt kull, resulterer i en effektiv forbrenning av de avgitte brennbare gasser, slik at det blir mulig å oppnå de ønskede, høye virkningsgrader. Konstruksjonen ifølge oppfinnelsen kan dessuten benyttes i forbindelse med forskjellige slags fyringssystemer, for eksempel vandrerist- og stokerfyring etc. The purpose of the invention is to provide a construction which, when used in generally known boilers for heating water by burning solid fuel that emits flammable gases, especially coal, results in an efficient combustion of the emitted flammable gases, so that possible to achieve the desired high efficiency levels. The construction according to the invention can also be used in connection with different types of firing systems, for example, walking grate and stoker firing etc.

I overensstemmelse med oppfinnelsen oppnås ovennevnte formål med en kjel som angitt og karakterisert i patentkrav 1. Fordelen med å anbringe et nedover skrånende, rimelig røktett strålingsskjold på den angitte måte består i at forbrenningsgassene, som avgis hovedsakelig i det område som dekkes av strålingsskjoldet stiger opp under dette, blandes med sekundærluft, som tilføres til dette område, samt antennes, fordi rommet under strålingsskjoldet har en høy temperatur (såvel en høy lufttemperatur som en høy strålingstemperatur), før blandingen av sekundærluft og brennbare gasser når frem til den relativt smale utbrenningsåpning bakerst i kjelen. Ettersom de brennbare gasser således antennes og fullstendig forbrennes i kjelens for-brenningskammer, er det med kjeler av stort sett kjent konstruksjon mulig å oppnå de samme høye virkningsgrader som de som er kjent fra olje- eller gassfyrte kjeler og fra kullfyrte høytrykkskjeler. In accordance with the invention, the above-mentioned purpose is achieved with a boiler as specified and characterized in patent claim 1. The advantage of placing a downward sloping, reasonably smoke-tight radiation shield in the specified manner consists in the fact that the combustion gases, which are emitted mainly in the area covered by the radiation shield, rise up during this, is mixed with secondary air, which is supplied to this area, as well as ignited, because the space under the radiation shield has a high temperature (both a high air temperature and a high radiation temperature), before the mixture of secondary air and combustible gases reaches the relatively narrow burnout opening at the back in the boiler. As the combustible gases are thus ignited and completely combusted in the boiler's combustion chamber, it is possible with boilers of largely known construction to achieve the same high levels of efficiency as those known from oil- or gas-fired boilers and from coal-fired high-pressure boilers.

Det er en fordel, såfremt strålingsskjoldet bygges ut slik at det strekker seg mer enn halvveis bakover mot kjelens bakre vegg, og særlig fordelaktig dersom det når ut minst 3/5 av avstanden til kjelens bakre vegg, slik at det etterlater seg en utbrenningsåpning på 2/5 eller mindre av kjelens lengde. Fordelen består i at den lange utstrekning øker den gjennomsnittlige tid som gassene befinner seg i det område hvori de kan antennes, og således også øker muligheten for å oppnå en høy virkningsgrad i kjelen. Nøyaktig hvor langt strålingsskjoldet må være er avhengig av kjelens konstruksjon og det anvendte brensel, men den korrekte lengde kan på en enkel måte fastsettes av fagfolk, for eksempel ved å foreta røkanalyser. It is an advantage if the radiation shield is built out so that it extends more than half way backwards towards the rear wall of the boiler, and particularly advantageous if it reaches at least 3/5 of the distance to the rear wall of the boiler, so that it leaves a burn-out opening of 2 /5 or less of the length of the boiler. The advantage is that the long extent increases the average time that the gases are in the area where they can ignite, and thus also increases the possibility of achieving a high degree of efficiency in the boiler. Exactly how long the radiation shield must be depends on the construction of the boiler and the fuel used, but the correct length can be easily determined by professionals, for example by carrying out smoke analyses.

Ved å henge opp strålingsskjoldet som angitt og karakterisert i patentkrav 3 oppnås den spesielle fordel at den bærende konstruksjon for strålingsskjoldet også er en varmeflate i kjelkonstruksjonen, hvorved materialene således oppfyller flere funksjonelle formål på samme tid, hvilket bidrar til en billig totalkonstruksjon. By suspending the radiation shield as indicated and characterized in patent claim 3, the special advantage is achieved that the supporting structure for the radiation shield is also a heating surface in the boiler structure, whereby the materials thus fulfill several functional purposes at the same time, which contributes to an inexpensive overall construction.

Endelig kan oppfinnelsen utmerke seg på den måte som er angitt i patentkrav 4. Fordelen med de løst anbrakte, men fastholdte elementer består i at ikke bare er det lett å foreta utskiftninger når dette er nødvendig etter en viss driftsperiode, men det er også mulig på en enkel og hurtig måte å endre strålingsskjoldets størrelse ved å ta bort eller sette inn noen av de keramiske elementer. Dette siste kan være fordelaktig såfremt det skiftes mellom brenseltyper med forskjellig gassinnhold og varierende antennelsestemperatur for de avgitte gasser. Finally, the invention can excel in the way stated in patent claim 4. The advantage of the loosely placed but fixed elements is that not only is it easy to make replacements when this is necessary after a certain period of operation, but it is also possible on a simple and quick way to change the size of the radiation shield by removing or inserting some of the ceramic elements. The latter can be advantageous if there is a change between fuel types with different gas contents and varying ignition temperatures for the emitted gases.

Det skal også bemerkes at foreliggende oppfinnelse ble gjort i forbindelse méd arbeidet med en ny tennbue som er beskrevet av samme oppfinner i en patentsøknad som er inngitt samtidig med- nærværende beskrivelse, og som også hensiktsmessig kan være utformet under anvendelse av den ikke-bærende konstruksjon av formtilpassede, keramiske elementer som er opphengt i en bærende konstruksjon som tidligere beskrevet. It should also be noted that the present invention was made in connection with the work on a new ignition arc which is described by the same inventor in a patent application which has been submitted at the same time as the present description, and which can also suitably be designed using the non-bearing construction of shaped ceramic elements that are suspended in a supporting structure as previously described.

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet mer detaljert under henvisning til med-følgende tegning som viser et vertikalt lengdesnitt gjennom en fordelaktig utførelsesform av en kjel ifølge oppfinnelsen. The invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawing which shows a vertical longitudinal section through an advantageous embodiment of a boiler according to the invention.

Kjelen er i sin helhet betegnet med henvisningstallet 1. Den opphengte tennbue 2 er anbrakt ved innmatingsåpningen for det faste brensel, som ved denne kjel tilføres av en vandrerist som danner underlag for ildstedet 10 i forbrenningskammeret 11. I overensstemmelse med oppfinnelsen strekker strålingsskjoldet 3 seg fra forbrenningskammerets frontvegg 6 fra en linje over tennbuen 2 røktett og med røktett forbindelse med forbrenningskammerets 11 frontvegg 6 og to sidevegger skrånende nedover inn over ildstedet 10. Strålingsskjoldet 3 er bygget opp av formtilpassede keramiske elementer 4, som er satt sammen til et ikke-bærende skjold som er understøttet av et antall parallelle rør 5, som skråner oppover fra forbrenningskammerets 11 bakre vegg 7, hvor det indre av hvert rør 5 i den bærende konstruksjon står i åpen forbindelse med vannkammeret i kjelens bakre vegg. Forrest i kjelen 1 er rørene 5, som bærer strålingsskjoldet 3 på tilsvarende måte, hvert for-bundet med vannkammeret i kjelens frontvegg. Ved en slik konstruksjon kan kjelvannet, hjulpet av heverteffekten, strømme fritt på en oppover skrånende måte gjennom rørene og således holde disse tilstrekkelig avkjøt når kjelen er i drift, slik at deres bæreevne ikke går tapt. Ved den viste kjel har de anvendte rør 5 sirkulært tverrsnitt, men det kan også benyttes andre tverr-snittsformer, for eksempel ovale eller rektangulære. Hvert av de formtilpassede keramiske elementer 4 har en breddedimensjon vinkelrett på det på tegningen viste lengdesnitt som svarer til avstanden mellom rørene 5. Elemen-tenes 4 tverrsnitt i retning vinkelrett på rørene 5 har timeglasslignende form, idet det i hver side av hvert element 4 er utformet en langsgående fordyp-ning eller spor med en størrelse og form som i hovedsaken motsvarer de bærende rørs 5 halve tverrsnitt. De således formtilpassede elementer 4 er opphengt på rørene 5 og, når kjelen er i drift og elementene varmes opp, slutter så tett sammen at røkutstrømningen tvinges stort sett bakover i kjelen. Et innløp 9 for sekundærluft er utformet gjennom forbrenningskammerets 11 frontvegg 6 under tennbuen 2. The boiler is designated in its entirety by the reference number 1. The suspended ignition arc 2 is placed at the feed opening for the solid fuel, which is supplied to this boiler by a traveling grate which forms a base for the hearth 10 in the combustion chamber 11. In accordance with the invention, the radiation shield 3 extends from the front wall 6 of the combustion chamber from a line above the ignition arc 2 smoke-tight and with a smoke-tight connection with the front wall 6 of the combustion chamber 11 and two side walls sloping downwards over the hearth 10. The radiation shield 3 is built up of shaped ceramic elements 4, which are assembled into a non-load-bearing shield which is supported by a number of parallel pipes 5, which slope upwards from the rear wall 7 of the combustion chamber 11, where the interior of each pipe 5 in the supporting structure is in open connection with the water chamber in the rear wall of the boiler. At the front of the boiler 1, the pipes 5, which carry the radiation shield 3 in a similar way, are each connected to the water chamber in the front wall of the boiler. With such a construction, the boiler water, aided by the siphon effect, can flow freely in an upward sloping manner through the pipes and thus keep them sufficiently cool when the boiler is in operation, so that their carrying capacity is not lost. In the case of the boiler shown, the tubes 5 used have a circular cross-section, but other cross-sectional shapes can also be used, for example oval or rectangular. Each of the form-fitting ceramic elements 4 has a width dimension perpendicular to the longitudinal section shown in the drawing which corresponds to the distance between the pipes 5. The cross-section of the elements 4 in a direction perpendicular to the pipes 5 has an hourglass-like shape, as each side of each element 4 is designed a longitudinal recess or groove with a size and shape which essentially corresponds to the 5 half cross-sections of the supporting pipes. The thus shaped elements 4 are suspended on the pipes 5 and, when the boiler is in operation and the elements are heated, join so closely together that the smoke outflow is largely forced backwards in the boiler. An inlet 9 for secondary air is designed through the front wall 6 of the combustion chamber 11 below the ignition arc 2.

Kjelen 1 fungerer stort sett som kjente kjeler for fast brensel, og det skal her bare gjøres rede for den forskjell i arbeidsmåte sorn skyldes strålingsskjoldet ifølge oppfinnelsen. Boiler 1 works largely like known boilers for solid fuel, and only the difference in working method due to the radiation shield according to the invention shall be explained here.

Strålingsskjoldet 3 stanser de brennbare gasser og røkgassene som stiger opp fra den forreste ende av ildstedet 10 og tvinger dem bakover inn i forbrenningskammeret 11, hvor de blandes med overskuddsluft og de gasser som stiger opp fra den bakerste ende av ildstedet 10 samt strømmer gjennom utbrenningsåpningen 8, og herfra forover gjennorn kjelen og inn i røkrørene. Det blir på denne måte opprettet en hensiktsmessig, ensartet gassutstrøm-ning fra ildstedet. Med den viste konstruksjon blir det på samme tid oppnådd en varmestråling til vannet som strømmer gjennom rørene. En overraskende og fordelaktig effekt består i at en ved hjelp av det røk- og gasstette, noe varmeisolerende skjold av keramisk materiale eller lignende oppnår en overflate med overflatetemperatur som for en vannkjel er forholdsvis høy. The radiation shield 3 stops the combustible gases and smoke gases that rise from the front end of the hearth 10 and forces them backwards into the combustion chamber 11, where they mix with excess air and the gases that rise from the rear end of the hearth 10 and flow through the combustion opening 8 , and from here onwards, return to the boiler and into the smoke pipes. In this way, an appropriate, uniform gas outflow from the hearth is created. With the construction shown, heat radiation to the water flowing through the pipes is achieved at the same time. A surprising and advantageous effect consists in the fact that, with the help of the smoke- and gas-tight, somewhat heat-insulating shield made of ceramic material or the like, a surface with a surface temperature which for a water boiler is relatively high is achieved.

Den samlede effekt er at disse brennbare gasser antennes og kan derfor bidra til en markant økning av kjelens termiske virkningsgrad. Ved en kjel utstyrt med et strålingsskjold som vist har det således i drift blitt oppnådd termiske virkningsgrader på omkring 90 %. Det bør legges til at antennelsen av de brennbare gasser bare kan finne sted når det finnes tilstrekkelig oksygen i forbrenningskammeret. Det er hensiktsmessig å tilføre denne oksygen gjennom innløpet 9, hvorved den tilførte luft varmes opp på en hensiktsmessig måte når den strømmer ut under tennbuen 2. Det kan tenkes andre former for innløp, men sekundærluf ten må ledes inn på en slik måte at den blandes med de brennbare gasser under strålingsskjoldet 3. Det kan tenkes andre utførelsesformer av oppfinnelsen enn den som er vist på tegningen, idet det vesentlige er at det ved hjelp av et strålingsskjold opprettes et forbrenningskammerområde, hvori temperaturen, herunder strålingstemperaturen, er betydelig høyere enn ved normale vannkjeler, og i det minste så høy at de brennbare gassers antennelsestemperatur overskrides, og at dette forbrenningskammerområde etableres over den del av ildstedet hvorfra størsteparten av de brennbare gasser avgis. The overall effect is that these flammable gases are ignited and can therefore contribute to a marked increase in the boiler's thermal efficiency. With a boiler equipped with a radiation shield as shown, thermal efficiencies of around 90% have thus been achieved in operation. It should be added that the ignition of the combustible gases can only take place when there is sufficient oxygen in the combustion chamber. It is appropriate to supply this oxygen through the inlet 9, whereby the supplied air is heated in an appropriate way when it flows out under the ignition arc 2. Other forms of inlet can be imagined, but the secondary air must be led in in such a way that it is mixed with the flammable gases under the radiation shield 3. Other embodiments of the invention than the one shown in the drawing can be imagined, the essential thing being that a combustion chamber area is created by means of a radiation shield, in which the temperature, including the radiation temperature, is significantly higher than in normal water boilers, and at least so high that the ignition temperature of the flammable gases is exceeded, and that this combustion chamber area is established over the part of the hearth from which the majority of the flammable gases are emitted.

Ved alminnelig kjente kjeler med oppad skrånende strålingsskjold er mulig-hetene, til å variere kjelbelastningen temmelig små, eksempelvis fordi min-sket belastning gir økt O2 % i gassene og således resulterer i lavere virkningsgrad. Ved varmtvannskjeler med oppad skrånende strålingsskjold blir det derfor anbefalt en maksimal belastningsreduksjon på 50 %. In the case of commonly known boilers with upwardly sloping radiation shields, the possibilities to vary the boiler load are rather small, for example because reduced load gives increased O2 % in the gases and thus results in a lower efficiency. For hot water boilers with upwardly sloping radiation shields, a maximum load reduction of 50% is therefore recommended.

Ved nedad skrånende strålingsskjold ifølge den- foreliggende oppfinnelse har det vist seg mulig å kunne redusere belastningen helt ned til 25 % av full belastning og likevel opprettholde den meget høye virkningsgrad, idet årsaken er at virkningsgraden faktisk stiger litt når belastningen reduseres. Dette skyldes at de oppadstigende gasser ikke kan unngå forbrenning når strålingsskjoldet er konstruert som vist og beskrevet. With downward sloping radiation shields according to the present invention, it has been shown to be possible to reduce the load all the way down to 25% of full load and still maintain the very high efficiency, the reason being that the efficiency actually rises slightly when the load is reduced. This is because the rising gases cannot avoid combustion when the radiation shield is constructed as shown and described.

For god ordens skyld bør det nevnes at det med fast brensel skal forstås alle slags fast brensel, eksempelvis tre, halrn, pellets, torv, olivenskall eller briketter. For the sake of clarity, it should be mentioned that solid fuel should be understood as all kinds of solid fuel, for example wood, wood, pellets, peat, olive husks or briquettes.

Endelig er oppfinnelsen ikke begrenset til vannkjølte rør rned et bestemt tverrsnitt. Det kan tenkes rør med alle mulige tverrsnitt, for eksempel runde, triangulære, ovale eller firkantede. Finally, the invention is not limited to water-cooled pipes of a specific cross-section. Pipes with all possible cross-sections can be imagined, for example round, triangular, oval or square.

Claims

1. Boiler with a suspended spark arc (2) at the firing opening and designed for the combustion of solid fuel which, when heated and/or burned, emits flammable gases, characterized in that a mainly smoke- and gas-tight radiation shield (3), which has an essentially smoke- and gas-tight connection with the front wall (6) and side walls of the combustion chamber (11) and located in a line above the suspended ignition arc (2), extends diagonally downwards over the hearth (10) and covers a larger part of it than the ignition arc (2), and that an inlet (9) for secondary combustion air is placed above the hearth (10) and below the radiation shield (3) preferably opening into the combustion chamber (11) below the ignition arc.

2. Boiler according to claim 1, characterized in that the length of the radiation shield corresponds at least to half of the distance from the front wall (6) of the combustion chamber (11) to its rear wall (7), and preferably constitutes at least 6/10 of this distance.

3. Boiler according to claim 1 or 2, characterized in that the radiation shield (3) is built up of form-fitting, temperature-resistant elements (4) of ceramic material, and that this non-self-supporting radiation shield (3) is suspended in a supporting structure, for example of pipes (5) which, by passing water through them when the boiler is in operation, are kept cooled at such a low temperature that the load-bearing capacity of the pipes (5) is maintained.

4. Boiler according to claim 3, characterized in that the shaped ceramic elements (4) are designed in such a way that they can produce the desired degree of smoke and gas density in the radiation shield (3) without mortar filling between the elements (4) or between these and the walls of the combustion chamber, and that the radiation shield (3) is otherwise designed in such a way that its effective extent in the direction of the rear wall (7) of the combustion chamber (11) can be changed by inserting or removing some of the shaped ceramic elements (4).