SE449916B - Anordning for forbrenning av fast brensle - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 449 916 det känt att en bättre förbränning uppnås genom en recirku- lation av en del av de använda rökgaserna tillbaka till flam- mans primärzon. De recirkulerade rökgaserna kan antingen blan- das med friskluft utanför pannan eller också direkt inuti brännkammaren.

Vid en kraftig reduktion av luftöverskottet minskas också möj- ligheterna för uppkomsten av syrerika svavel- och kväveförenin “ gar såsom S03 med flera. Indikationer finns också på att luft- överskottet är direkt proportionellt mot de s.k. POM-bildning- arna, dvs alla de sannolikt cancerframkallande ämnen som in- går under benämningen polyaromatiska kolväten (POM). Om syre- överskottet, dvs luftöverskottet, kan reduceras till ett abso- lut minimum vid förbränningen, bör således även POM-mängderna bli små.

En förutsättning att minska sotutsläppet i rökgaserna är att medelflamtemperaturen hålles mycket hög, minst 1000°C och gär- na högre. Om hela temperaturhöjningen skall ske inom en enda zon, måste den vara snabb och kräver mycket höga temperaturer inom bränslets förgasningszon, vilket leder till uppkomsten av s.k. smältaska, dvs flytande aska. Detta medför också skadli- ga effekter dels med avseende på rökgasens slutliga sammansätt- ning, dels med avseende på att smältaskan är mycket frätande på metaller med alla de problem detta medför.

Sålunda kan i vart fall tre olika faser särskiljas i förbrän- ningsförloppet, när det gäller att uppnå hög verkningsgrad och samtidig hög renhetsgrad i de utgående förbränningsgaserna.

I den första av dessa faser skall bränslet snabbt förgasas un- der en temperatur lägre än askans smältpunkt, dvs lägre än 1000°C, i den andra skall gasen förbrännas så snabbt och ef- fektivt som möjligt med lågt luftöverskott och i den tredje fa- sen skall bränslerester och brännbara gasrester förbrännas, * något som gäller alldeles särskilt vid s.k. långflammiga bräns- len. k? Föreliggande uppfinning har till ändamål att med utgångspunkt från en anordning av det inledningsvis angivna slaget åstadkomma w 15 20 25 30 35 449 916 en ny och förbättrad sådan anordning, vilken undanröjer de här berörda nackdelarna med den kända tekniken och medger för- bränning av fasta bränslen med hjälp av recirkulerade rökga- ser i s.k. blâflamma. Anordningen skall vidare vara anpass- ningsbar till olika typer av fasta bränslen med varierande energiinnehåll och varierande förbränningsegenskaper. Antingen extern och/eller intern recirkulation skall kunna användas vid densamma. Dessutom skall det s.k. naturliga draget i den till eldstaden hörande skorstenen kunna hjälpa till att transporte- ra den för förbränningen i anordningen erforderliga friskluf- ten och/eller blandningen av friskluft och restgaser.

Utförda prov med olika utföringsformer för enligt uppfinningen utförda anordningar har visat att detta syfte uppnåtts främst till följd av att det för en anordning enligt uppfinningen utmär- kande är att tillförselledningen för luften eller luftrökgas- blandningen från fläktens trycksida inmynnar i en under roster- na belägen tryckkammare, vilken är öppen mot brännkammaren ge- nom rosterna, att ovanför rosterna är anordnade två koaxiella skärmväggar som omsluter fyrens sidor, den ena ovanför den and- ra, inuti brännkammaren, att underkanten av den övre av dessa skärmväggar är belägen i sidled utanför den undre skärmväggens överkant och tillsammans med denna bildar en öppen spalt mellan de bägge skärmväggarna, att från tryckkammaren, genom rosterna i brännkammaren, innanför den undre skärmväggen inkommande luft eller luftrökgasblandning tillföres fyrens bottenparti, under det att genom rosterna i brännkammaren, utanför denna skärmvägg inkommande luft eller luftrökgasblandning tillföres brännkamma- rens eller eldstadens slutförbränningszon genom spalten, var- vid en recirkulation av förbränningsgaser inuti den övre av de bägge skärmväggarna omedelbart ovanför spalten möjliggöres, varjämte för det fall att fläkten är anordnad att kunna tillfö- ra en luftrökgasblandning en till fläktens sugsida ansluten returledning finnes för recirkularing av rökgaser från rökgas- utloppet till brännkammaren.

Det har vid de med anordningar enligt uppfinningen utförda pro- ven till och med visat sig möjligt att med hjälp av externt re- cirkulerad gas vid alla provade fasta bränslen uppnå praktiskt U1 10 15 20 25 30 35 449 916 taget sotfria avgaser inom ett mycket stort belastningsomrâde och med praktiskt taget stökiometriska värden på luftöverskot- tet. Istället för luftöverskotten på 300-400 % vid de tidigare kända anordningarna erhölls överskott på 5-10 % med de nya och förbättrade anordningarna. Genom höjningen av flamtemperaturen har dessutom restprodukternas i rökgasen katalytiska inverkan på förbränningshastigheten ökat betydligt, vilket har till följd att krackning, dvs bildning av koksskal av fritt kol (sot), ej hinner ske i samma utsträckning som vid de tidigare kända anord- ningarna. Vid förbränningen erhölls liksom vid oljeeldning s.k. blå flamma, vilket är kännetecknet för gasförbränning, dvs den -typ av förbränning som eftersträvats och ger de eftersträvade fördelarna. Andelen blå flammor visade sig kunna variera inom täm- ligen vida gränser, nämligen mellan 25 och 100 %, utan att avga- sernas renhet väsentligt förändrades. Ej heller förändrades de små luftöverskottsvärdena i någon mera väsentlig utsträckning och i något fall erhölls vid försöken en intensivt koncentrerad blå flamma i form av en smal stående pelare. vid eldning med.kol eller andra energirika fasta bränslen kan lämpligen ock- så en del av friskluften eller luftrökgasblandningen till brännkamaren an- vändas för att effektivt kyla rosterna inifrån, enär den utvändiga kylningen av dem ibland torde kunna bli otillräcklig. Rosterna bör därför göras ihåliga så att friskluften eller luftrökgasblandningen eller åtnunstone någon del där- av kan ledas från fläkten geno rosterna för att sedan utstrthue genom bräns- ld&ñfleni.bfiümkænmuen.

Gemdn spalten mellan de bägge skärmväggarna passerar en del av friskluften och/eller luftrökgasblandningen från fläkten. Skärnwäggarna kan ha olika ut- seende och antingen vara ruda eller kantiga ned en fonn san i första hand får errpeeeee 11111 bränslet. Den övre ekärmvaggen är med fördel nedan för- buden med en horisontell vägg i brännkanneren, vilken vägg tvingar all gas (luft eller luftrökgasblandning), sm ej passerar innanför den undre skärm- väggen, att passera genm spalten och in i den tredje och sista förbränninge- zonen. Genom att spaltens tvärsnittsarea kan göras liten blir strömüngshas- tigheten genom spalten hög, vilket har till följd att det statiska trycket i spalten blir lågt och den åstzfifluxmua statiska tryckdifferensen skapar en re- cirkulationszon inuti den övre av de bägge skärmväggarna ome- delbart ovanför spalten. Till följd härav kommer genom 10 15 20 25 50 HO 5 449 916 spalten inströmmande friskluft och/eller luftrökgasblandning att blandas med vid förbränningen i zonerna 2 och 3 uppkom- mande brännbara restgaser, varigenom förutsättningar för en blå eller ren gasförbränning uppnås även'med andräpränslen än gas och olja.

Vid proven med enligt uppfinningen utförda anordningar har det också visat sig idealiskt att endast den förbränning äger rum i förbränningszonen direkt över rosterna, vilken behövs för att ge den energimängd och den temperatur, som erfordras för att bränslet skall förgasas.

Den genom spalten strömmande frískluften och/eller luftrök- gasblandningen har genom att skapa förutsättningarna för en god förbränning även till uppgift att ge en s.k. filmkylning av insidan på den övre skärmväggen för att hålla dess_tem~ peratur på en för väggmaterialet lämplig nivå, som exempelvis bör ligga under 70000 vid användning av vanliga kolstål i skärmväggen.

Om en lämplig blandning av friskluft och rökgaser tillföres genom rosterna till det inre av den undre skärmväggen samt. till spalten mellan de bägge över varandra anordnade skärm- väggarna erhålles en kombination av en extern och en intern recirkulation. Om enbart friskluft tillföres uppkommer där- emot endast den senare formen av recirkulation. Skillnaderna i uppmätta renheter för de utgående rökgaserna eller för C02- -halterna har dock visat sig vara små i dessa fall, med något bättre värden för det första fallet, vilket man också kunde vänta sig. Det senare alternativet är emellertid be- tydligt enklare till sin uppbyggnad och speciellt lämpligt då elkraft ej står till förfogande för en fläkt och det natur- liga draget från skorstenen är det enda medlet att åstadkomma den nödvändiga lufttillförseln till brännkammaren. Bränslet kan antingen handmatas genom en påfyllningslucka eller matas in medelst en skruv, en kolv eller liknande. Matningshastig- heten kan då lämpligen styras medelst ett relä, som exempel- vis avkänner vattentemperaturen i pannans konvektionsdel.

Ventiler och/eller andra reglerdon bör vara anordnade i \J'\ 10 15 30 449 916 b fläktens friskluftíntag, i rökgasledningen samt i sekundär- lufttillförselledningen om en sådan användes. Medelst dessa ventiler, som enkelt kan utgöras av vridspjäll, kan brännkam- maranordningen enligt uppfinningen på ett enkelt sätt styras till optimal förbränning med s.k. blå flamma för alla tänk- bara fasta bränslen.

Ovanpå rosten är företrädesvis en finmaskig sträckmetall el- ler dylikt anbragt för att hindra bränsle av mindre stycke- storlek att falla genom rosterna. Samtidigt erhålles en jämnare fördelning av den genomströmmande luft- och/eller luftrökgasblandningen.

Ytterligare fördelar och kännetecken hos uppfinningen kommer att framgå av följande detaljerade beskrivning i anslutning till bifogade ritningar, på vilka fig. 1 visar en första ut- föringsform för en brännkammaranordnlng enligt uppfinningen med tillförsel av en blandning av luft och rökgaser, och fig. 2 visar en andra dylik utföringsform med enbart friskluft- tillförsel. Bägge figurerna återger schematiska vertikalsnitt genom respektive anordning.

Vïdden i fig. 1 visade första utföringsformen för en anord- ning enligt uppfinningen är en med roster 5 försedd bränn- kammare 1 med väggar 2, 3 och botten U av företrädesvis eld- fast material anordnad i den nedre delen av en värmepanna.

Denna brännkammare kan antingen vara vattenkyld eller också vara försedd med tjocka isolerande väggar så att värmeför- lusterna blir små. Eventuellt kan även vattenkylning kombi- neras med tjocka isolerande väggar. Enbart dylika väggar är emellertid att föredra, eftersom kalla ytor kan ha ödeläg- gande inverkan på förbränning i allmänhet odiisynnerhet på recirkulerande och blå förbränning. Rosterna 5 kan eventuellt vara täckta av ett nät 5a av finmaskig sträckmetall eller dy- uk x likt för att möjliggöra förbränning av partikelformiga bränslen med ringa partikelstorlekar.

Ovanför rosterna 5 finns en påfyllningsöppning 6 i väggen 2 samt en lucka 7 för tillslutning av denna öppning. Bränsle- påfyllningen kan lämpligen ske genom en s.k. gravity feed- 10 15 20 25 HO 7 449 916 -stoker bestående av en bränslebehâllare 8, ett matningsrör eller dylikt 9, en matningskolv eller dylikt 10 driven av en motor 11. Denna motor är lämpligen styrd medelst ett relä i beroende av vattentemperaturen i pannans konvektionsdel. Vid eldning med en stoker av detta slag kan brännkammarvolymen hållas relativt liten.

I pannans övre del och således ovanför brännkammaren 1 finns en konvektionsdel 12 för tillvaratagandet av energin i rök- gaserna och allra överst är ett rökgasutlopp 15 anbragt för bortledningen av rökgaserna. Detta utlopp uppvisar lämpligen en rens- och besiktningslucka 1H.

Friskluft erhålles medelst en fläkt 15, som insuger luft ge- nom en med en ventil 16 försedd tilloppsledning 17 och in- blâser luften genom en tillförselledning 18 i brännkammaren 1.

Närmare bestämt utmynnar tillförselledningen 18 under rosterna 5 i ett fördelningsutrymme 19, som samtidigt fungerar som askrum. Mellan en till rökgasutloppet 15 ansluten rökgas- ledning 20 och fläktens 15 sugsida är en returledning 21 för en del av rökgaserna anordnad. I denna returledning är en ventil 22 anbragt för reglering av rökgasflödet till fläkten.

Genom denna ventil 22 och ventilen 16 i tilloppsledningen 17 för friskluften kan med hjälp av fläkten 15 en blandning av friskluft och rökgas med den önskade sammansättningen till- föras brännkammaren 1. Av det föregående har framgått att blandningen av friskluft och recirkulerade rökgaser passerar genom tillförselledningen 18 och in i fördelningsutrymmet 19 och därifrån fortsätter upp genom resterna 5. Efter att ha passerat genom dessa strömmar den större delen av denna gas- blandning upp genom den på rosterna liggande bränslebädden 28, vilken enligt uppfinningen är belägen innanför den nedre delen av en första ringformíg skärmvägg 25 företrädesvis med formen av mantelytan hos en upp- och nedvänd stympad kon. Härvid in- träffar en viss reduktion samtidigt med att bränslet för- gasas vid en temperatur lägre än 100000, varpå den uppkom- mande brännbara gasblandningen förbränns inuti det utrymme 25, som begränsas av den nämnda, bränslebädden 28 innehållande första ringformiga skärmväggen 25 och en enligt uppfinningen ovanför denna anbragt andra ringformig skärmvägg 2U, vilken 10 15 25 50 HO 449 916 ha även den företrädesvis har formen av_mantelytan hos en stympad kon, men är vänd med sin bas nedåt mot den första ringformiga skärmväggens 25 uppåtvända bas. Genom att diametern på den första ringformiga skärmväggens 25 bas är mindre än diametern på den ovanför belägna andra ringformiga skärmväggens 2H bas, och de bägge skärmarna är koncentriskt placerade, finns enligt uppfinningen en ringformig spalt 27 mellan deras motríktade ändar. Genom denna spalt passerar samtidigt den resterande delen av den genom tillförselledningen 18, fördelningsutrym- É met 19 och rostern 5 kommande blandningen av friskluft och re- cirkulerade rökgaser in i förbränningsutrymmet 25 innanför de bägge ringformiga skärmväggarna 2U, 25 efter att först ha passerat förbi utsidan av den undre 25 av dessa..Nâgon annan strömningsmöjlighet är enligt uppfinningen ej medgiven denna gasblandningsandel, eftersom en horisontell tät mellanvägg 26 är anordnad mellan underkanten av den övre ringformiga skärm- väggen 2U och de omgivande brännkammarväggarna 2, 3, så att endast den mellan dessa bägge skärmväggar befintliga ring- formiga spalten 27 är öppen för den del av den från fördel- ningsutrymmet 19 kommande gasblandningen, vilken ej passerar genom bränslebädden 28. I förbränningsutrymmet 23 blandas den genom spalten 2? mellan de bägge skärmväggarna 24, 22 kmnmmde andelen av luft-rökgasblandningen med den genom den undre ringformiga skärmväggen 25 stigande brännbara gasblandningen, vilket sker i eldstadens slutförbränningszon, som börjar i mitten av förbränningsutrymmet 23 och åtminstone i huvudsak slutar i den övre delen av den högst belägna av de bägge ring- formiga skärmväggarna 25.

Då den genom den ringformiga spalten 27 kommande delen av blandningen av friskluft och recirkulerade rökgaser får vid- kännas en kraftig areaförträngning blir dess strömningshas- tighet hög, vilket för övrigt också delvis beror på tempera- turhöjningen i gasmassan. Hastighetsökningen medför att det m statiska trycket minskar i motsvarande grad, varigenom en gasströmning antydd med pilarna 29 i den övre av de bägge 'in ringformiga skärmväggarna 2U utbildas med här tidigare nämnd effekt. De slutförbrända gaserna stiger på grund av draget i skorstenen uppåt och avlämnar i konvektionsdelen 12 större delen av sin värmeenergi samt passerar slutligen ut genom 10 15 20 25 30 55 40 9 g i 449 916 rökröret 20 till skorstenen.

Förbränningsutrymmet har i den här beskrivna utföringsformen för en anordning enligt uppfinningen beskrivits såsom beståen- de av två ringformiga skärmväggar med formen av mantelytorna hos tvâ stympade koner med olika basdiametrar, vilka mantel- ytor anordnats med sina baser vända mot varandra. Denna ut- föringsform är nämligen särskilt fördelaktig. Det är emeller- tid underförstått att de bägge skärmväggarna även kan ha formen av mantelytorna hos två på samma sätt arrangerade stympade pyramider. De kan till och med ha cylindrisk eller fler- kantig form, varvid den övre givetvis skall ha ett större tvärsnitt än den undre för att en spalt skall uppkomma mellan dem; Vid försök med den i fig. 1 visade och ovan beskrivna ut- föringsformen av anordningen enligt uppfinningen beskickades brännkammaren med flis och mindre avfallsstycken. Sedan för-_ bränningen kommit igång uppmättes C02-halt och sottal vid olika förhållanden för blandningen av friskluft och re- cirkulerande rökgaser) Sottalet graderades enligt en siffer- skala mellan siffran 0 och siffran 9, i vilken skala siffran 0 innebar att inget eller nästan inget sot fanns i rökgaserna.

CO -halten utgjorde ett direkt mått pä luftöverskottet, vilket 2 vid träbränsle teoretiskt ligger kring värdet 20 %.

Med spjället 22 i returledningen 21 för recirkulationen av rökgaserna stängt uppmättes C02-halter kring 10 % och scttal kring siffran H. I flamman kunde endast obetydliga blå flam- mor iakttagas (till följd av lokal recirkulation). Sedan spjället 22 öppnats minst 150 och extern recirkulation av rökgaser uppkommit uppmättes däremot högre C02-halter, under det att sottalsvärdet hela tiden höll sig vid 0. Andelen blå flammor höll sig vid minst 50 % samtidigt som en mindre flam- höjd kunde iakttas jämfört med flamhöjden vid det tidigare fallet, då inga rökgaser recirkulerades. Speciellt var de blå flammorna intensiva omedelbart efter spalten 27 och tid- vis även över bränslebädden 28.

Liknande prov genomfördes därefter med pellets, flis och torv 10 15 20 25 449 916 10 som bränslen, varvid samma goda resultat uppnåddes.

Vid den i fig. 2 visade andra utföringsformen för en enligt uppfinningen utförd anordning saknas den externa recirkula- tionsledníngen (returledningen) 21 med-tillhörande ventiler 16, 22 och tilloppsledning 17, som förekommer vid den i fíg. 1 visade första utföringsformen. Friskluften insuges istället genom fläktens 15 sugsida och trycks genom tillförselled- ningen 18. Samma förlopp som tidigare beskrivits i samband med den i fig. 1 visade utföringsformen upprepas för frisk- luft-rökgasblandningen men med den skillnaden att all bland- ning av recirkulerande restgaser och friskluft nu istället äger rum helt och hållet inuti förbränningsutrymmet 25 och efter spalten 27, som endast släpper igenom frískluft. För- bränningen ovanför bränslebädden 28 har därigenom ingen pri- mär hjälp av restgasernas värmeenergi och katalytiska verkan 'utan denna hjälp uppkommer först i de yttre förbränningszoner- na, vilket något litet påverkar rökgasernas sammansättning och renhet-efter förbränningen. ' Fläkten 15 kan till och med uteslutas om dess verkan går att ersätta medelst skorstensdraget, dvs. om det undertryck skorstenen ger är tillräckligt för att insuga den för för- bränningen erforderliga friskluftmängden. Förbränningen sker då på det beskrivna sättet men med reducerad effekt.

Uppfinningen är icke begränsad till de här beskrivna och på ritningarna visade utföringsexemplen utan kan modifieras på mångahanda sätt inom ramen för patentkraven. 4,

Claims (7)

10 15 20 25 30 35 449 916 ll Patentkrav

1. l. Anordning för förbränning av fast bränsle. såsom ved, flis. pellets, kol och diverse avfall. med recirkulerande förbränningsgaser och innefattande en brännkammare (l) med i dess nedre del anordnade roster (5). en konvektionsdel (12), ett rökgasutlopp (13) samt en fläkt (15) för tillförsel av alternativt luft eller en luftrökgasblandning. t e c k n a d k ä n n e - av att tillförselledningen (18) för luften eller luftrökgasblandningen från fläktens (15) trycksida in- mynnar i en under rosterna (5) belägen tryckkammare (19), vilken är öppen mot brännkammaren (1) genom rosterna. att ovanför rosterna är anordnade två koaxiella skärmväggar (24.25) som omsluter fyrens sidor. den ena (24) ovanför den andra (25), inuti brännkammaren. att underkanten av den övre (24) av dessa skärmväggar är belägen i sidled utanför den undre (25) skärmväggens överkant och tillsammans med denna bildar en öppen spalt (27) mellan de bägge skärmväggarna, att från tryckkammaren (19). genom rosterna (5) i brännkammaren (1). innanför den undre skärmväggen (25) inkommande luft eller luftrökgasblandning tillföres fyrens bottenparti, under det att genom rosterna i brännkammaren. utanför denna skärm- vägg (25) inkommande luft eller luftrökgasblandning tillföres brännkammarens eller eldstadens slutförbränningszon genom spalten (27), varvid en recirkulation av förbränningsgaser inuti den övre av de bägge skärmväggarna omedelbart ovanför spalten möjliggöres, varjämte för det fall att fläkten är anordnad att kunna tillföra en luftrökgasblandning en till fläktens (15) sugsida ansluten returledning (21) finnes för recirkulering av rökgaser från rökgasutloppet (13) till brânnkammaren (1).

2. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n_a d av att brännkammaren (1) uppvisar en densamma i höjdled avdelande mellanvägg (26). som är anordnad mellan den övre skärmväggens (24) underkant och de omgivande brännkammarväggarna (2,3). 10 15 20 25 449 916 12

3. Anordning enligt krav l eller 2. k ä n n e t e c k - n a d av att de bägge skärmväggarna (24,25) är ringformiga och har formen av mantelytorna hos två med baskanterna mot varandra vända, stympade koner.

4. Anordning enligt krav l eller 2, k å n n e t e c k - n a d av att de bägge skärmväggarna är ringformiga och har formen av mantelytorna hos tvâ med baskanterna mot varandra vända_cylindrar.

5. S. Anordning enligt krav l eller 2. n a d k ä n n e t e c k - av att de bägge skärmväggarna har formen av mantel- ytorna hos tvâ med baskanterna mot varandra vända, stympade pyramider.

6. Anordning enligt något eller nâgra av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d av att ett i förbränningskammaren (l) befintligt askrum under rosterna (5) utgör tryckkamnaren (19) för den genom fläkten (15) tilledda friskluften eller luftrökgasblandningen.

7. Anordning enligt något eller nâgra av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d av att reglerventiler (l6.22) är anordnade i fläktens (15) friskluftintag (17) och i returled- ningen (21) för rökgaser för reglering av flöde och samman- sättning för den till brännkammaren (1) tillförda gasbland- ningen.