SE461295B - Anordning foer foerbraenning av fasta braenslen, foersedd med i braennkammaren anordnade insatser foer styrning av tillfoerseln av foerbraenningsluft - Google Patents

Description

(11 10 15 20 25 30 35 461 295 ' Den eftersträvade processen vid förbränningen av det fasta bränslet kan uppdelas i tre steg. nämligen ett första steg, i vilket det fasta bränslet förgasas, ett andra steg. i vilket det förgasade bränslet förbränns med bildande av förbränninge- produkter, som inte innehåller fritt upphettat kol utan kolet är hela tiden bundet till andra ämnen bl.a. genom at kolmon- oxid bildas. och ett tredje steg. i vilket en slutoxídation av förbränningsprodukterna sker. varvid bl.a. koldioxid bildas.

En sådan förbränning kan vidmakthållas med en lufttillförsel, som nära motsvarar en förbränningsreaktion med stökiometriska proportioner mellan bränsle och oxidator, vilket är fördelak- tigt såväl med avseende på tryckfall som värmetransmission.

Dessutom ger en sådan förbränning renare avgaser och är såle- des fördelaktig ur miljösynpunkt. vilket bl a innebär att inga kväveoxider bildas.

Föreliggande uppfinning syftar till att åstadkomma en anord- ning för att förbränna fasta bränslen. i vilken förbränningen är ytterligare förbättrad jämfört med det i ovannämnda publi- kation erhållna resultatet.

Enligt uppfinningen uppnås detta genom en anordning av inled- ningsvis nämnt slag, vilken är kännetecknad av att åtminstone en ytterligare rörformig insats är anordnad i brännkammaren ovanför de tvâ andra insatserna. vilken ytterligare insats eller vilka ytterligare insatser har en sådan konfiguration att en luftinloppsspalt bildas mellan underkanten hos varje ytterligare insats och överkanten av en underliggande insats. och att underkanten av den översta insatsen sträcker sig fram till insidan av brännkammarväggen. Genom den eller de ytter- ligare insatserna âstadkommes således en tertial zon, i vilken slutoxidationen huvudsakligen sker. Därigenom åtskiljes de tvâ oxídationsstegen i det eftersträvade förbränningsförloppet från varandra, vilket gör att man kan komma ännu närmare stökiometriska proportioner vid förbränningsförloppet än vid den genom ovannämnda publikation kända anordningen utan att äventyra slutoxidatíonen. vilket ytterligare förbättrar för- bränningen. Vid prov med en anordning enligt uppfinningen har 10 15 20 25 30 35 "B 461 295 koldioxidvärden hos slutprodukterna på 17-20 2 uppmätts. vilka värden ligger nära det teoretiskt optimalt uppnåeliga värdet.

Ytterligare särdrag och fördelar hos uppfinningen kommer att framgå av följande detaljerade beskrivning av ett föredraget utföringsexempel av en anordning enligt uppfinningen med hän- visning till bifogade ritningar, av vilka: fig- l visar, delvis i genomskärning. en anordning enligt upp- finningen och fig. 2 visar, delvis i genomskärníng. den nedre delen hos anordningen i fig. 1.

Den i fig. 1 visade anordningen innefattar en asklâda 1, en fläktanordning 2. en brännkammare 3, till vars botten ett ros- ter 10 är anslutet för att medge lufttillträde till brännkam- maren, och en konvektionsdel 8. i vilken vatten uppvärmes av värmen från de heta rökgaserna och vilken har ett rökgasutlopp 9.

En mantel 22 av isolerande material omger brännkammaren 3 på något avstånd från denna så att en periferispalt bildas mellan mantelns insida och brännkammarväggens utsida. Denna spalt är uppåt öppen mot atmosfären och i sin nedre del förbunden med en eller flera ledningar 27. som är anslutna till fläktanord- ningens 2 sugsida. En ledning 19 från rökgasutloppet 9 är också ansluten till fläktanordningens sugsida. Vidare förbin- der en shuntledning 25 fläktens trycksida med dess sugsida och ventiler eller spjäll 24. 26, 28 är anordnade i ledningarna för att styra gasflödena genom dessa.

Genom ett bränslematningssystem 4 kan bränsle inmatas i bränn- kammaren 3. I det visade exemplet utgöres detta av ett transportband 7, på vilket det fasta bränslet inkommer till en lagríngstank 6, från vilken bränslet genom tyngdkraft faller ned genom ett matningsrör. som mynnar i brännkammaren. Mängden nedfallande bränsle kan regleras genom ett reglerdon S. Vidare är tre insatser ll. 13. 15 anordnade i brännkammaren 3, vilka kommer att närmare beskrivas nedan med hänvisning till fig. 2. 10 15 20 25 30 35 461 295 ' I fiq. 2 visas undre delen av anordningen i fig. l i större skala. Rostret 10 skall, såsom tidigare angivits. medge att 'förbränníngsluft tíllföres brännkammaren. och innefattar för detta ändamål ett antal parallella luftfördelningsrör 41, vil- ka i sina ändar är förbundna med samlingskammare 42. vilka också kan utgöras av rör. anslutna till fläktanordningens 2 trycksida genom en eller flera rörstutsar 33. Rören 41 är uppåt öppna mot brännkammaren 3 och har i sin översta del dys- format tvärsnitt. För att åstadkomma en jämn utströmnings- hastighet i dysorna är rören 41 företrädesvis avsmalnande i luftströmningsriktningen. såsom framgår av fig. 1. Vidare sträcker sig smala distansbalkar 4Q. exempelvis i form av på högkant stående plattjärn, mittöver dysöppningarna hos rören 41 och mittemellan dessa rör för att uppbära bränslet och hål- la detta på avstånd från dysöppningarna. För att medge längd- utvidgning av dessa balkar är dessa inte fast inspända utan vilar exempelvis i spår utformade i brännkammarväggen eller på samlingskamrarnas översida. Om småstyckigt bränsle användes kan dessutom ett stålnät anordnas ovanpå balkarna för att för- hindra att bränsle faller igenom rostret 10 och ned i asklådan 1.

Ovanför i och direkt anslutning till rostret 10 är en första rörformig insats ll anordnad. Denna har företrädesvis formen av en stympad kon med basen vänd uppåt och inåtböjd överkant.

Vidare uppbäres insatsen via ett i dess botten anbragt balk- kors 39 av en roterbar axel 32. som på lämpligt sätt, exempel- vis genom en kuggkedja 30 förbunden med ett på axeln 32 anord- nat kugghjul. rotatíonsdríves av en motor 29. Företrädesvis stöder insatsen även mot från brännkammarvägegn 35 utskjutande rullar 37, vilka samverkar med runtgående klackar 36 eller liknande utformade på utsidan av insatsen ll. Genom att insat- sen ll är roterbar och har lutande väggar kan således en lik- formig fördelning av från den ovanför insatsen ll mynnande matníngsanordningen 4 infört bränsle åstadkommas.

I det fall insatsen vilar på rullar 37 kan i en variant dessa 10 20 25 30 35 " 461 295 användas för ínsatsens rotationsdrívníng genom att en eller flera av dessa utformas som drívrullar och på lämpligt sätt samverkar med klackarna 36. t ex så att insatsens roteras p g a fríktionskrafterna mellan rulle och klack.

En andra rörformig insats 13 är anordnad ovanför den första. I det visade exemplet har denna formen av en rät cylinder med inätböjda över- och underkanter och har större diameter än ba- sen hos den första insatsen. I höjdled ligger början av den inåtböjda innerkanten hos den andra insatsen 13 i nivå med början av den inätböjda överkanten hos den första insatsen ll så att en ringformig relativt smal inloppsspalt för sekundär- luft bildas. vars strömningstvärsnitt definieras av krökníngen hos resp. inätböjda kant samt av höjdläget för den andra in- satsen. Eventuellt kan den andra insatsen vara fäst till brännkammarväggen på sådant sätt att dess höjdläge och därmed spaltbredden kan varieras.

Díametern hos den andra insatsen är vidare mindre än brännkam- marens 3 diameter så att ett ringformigt utrymme bildas mellan brännkammarväggen 35 och utsidorna hos de första och andra in- Sätäêfflâ .

I det beskrivna utföringsexemplet har brännkammaren och insat- serna cirkulära tvärsnitt. vilket är föredraget. Andra tvär- snittsformer är dock naturligtvis möjliga men är ur luftström- níngssynpunkt mindre fördelaktiga. eftersom rotatíonen av den första insatsen då kan störa anordningens strömningshomogeni- tet.

Slutligen är en tredje rörformig insats 15 anordnad i bränn- kammaren ovanför den andra insatsen 13. Den tredje insatsen har liksom den första formen av en stympad kon men har i mot- sats till den första insatsen basen vänd nedåt. Vidare sträcker sig underkanten av den tredje insatsen ända ut till brännkammarväggen 35 och den tredje insatsen utgör således en övre begränsning av det ringformiga utrymmet mellan brännkam- marväggen 35 och utsidorna hos de första och andra insatserna. 461 295 " ' 10 15 20 25 30 35 Väggen hos den tredje insatsen samverkar med den inåtböjda överkanten hos den andra insatsen till att bilda en inlopps- spalt för tertialluft.

I konvektionsdelen 10 är väggarna hos gaskanalerna 20 utfor- made i enlighet med det svenska patentet 80900799.0, varigenom en mycket effektiv värmeövergång till radiatorvattnet erhålles genom den därvid i dessa kanaler uppkomna virvellaminära gas- rörelsen.

Funktionen hos den beskrivna anordníngen kommer nu att beskri- vas. De förekommande gasflödena indikeras med pilar i figurer- na.

Fläktanordningen 2 suger via ledningen 27 in friskluft från periferispalten mellan mantelns 22 insida och utsidan av brännkammarväggen 35- Före inträdet i fläkten blandas frisk- luften med genom ledningen 19 insugna varma rökgaser från rök- gasutloppet 9 och med genom shuntledningen 25 eventuellt från fläktens trycksida uttagen luft-gasblandning. Den i periferi- spalten strömmande friskluften avkyler brännkammarväggen 35. vilket samtidigt naturligtvis innebär att friskluften förvär- mes före inträdet i fläkten.

Från fläkten strömmar således förhränningsluft i form av en luft-rökgasblandning till samlingskamrarna 42 in i luftfördel- ningsrören 41. varigenom rostret avkyles och förbrännings- luften ytterligare förvärmes.

Förbränníngsluften strömmar sedan ut ur dysöppningarna hos rören 41. avlänkas lokalt av balkarna 40 och inkommer i bränn- kammaren 3 i två av väggen hos insatsen ll åtskilda flöden, nämligen ett prímärflöde inuti insatsen 11 och ett sekundär- flöde i det utanför insatsen ll liggande ríngformiga utrymmet.

Därvid skall primärflödet utgöra ca 60 % av det totala flödet för att säkerställa en tillräcklig mängd av syre för den eftersträvade förgasníngen. 10 15 20 25 30 35 -7 461 295 Eftersom luftöverskottet under anordningens drift totalt sett hålles lågt ínses att primärflödets syreinnehåll inte räcker till för att stökiometríska förbränningsbetíngelser skall upp- komma i själva bränslehärden. Vid denna sker därför huvudsak- ligen en förgasning av fastbränslet. Således strömmar förgasat fastbränsle blandat med prímärflödet uppåt från insatsens ll undre del.

En del av sekundärflödet kommer att strömma in till insatser- nas inre genom spalten mellan de första och andra insatserna ll, 13. Andelen i denna spalt ínströmmande förbränningsluft bestämmes väsentligen av förhållandet mellan strömningsmot- stånden i inloppsspalterna mellan insatserna ll. 13 och 13, 15 och kan således - om insatsernas 13 och 15 höjdlägen är in- ställbara - anpassas till lämpliga värden för olika fast- bränslen.

En förvärmd blandning av friskluft och âtercírkulerade rökav- gaser strömmar således med hög hastighet in i den av insatser- na begränsade centrala delen av brännkammaren i höjd med över- kanten hos den första insatsen ll. Denna sekundära förbrän- ningsluft är styrd av de ínloppsspalten mellan den första och andra insatsen ll. 13 bildande inåtböjda kanterna hos dessa insatser och blandningen strömmar radiellt inåt från insatsens ll överkant. Därigenom uppstår. såsom indikeras i figurerna. en lokal virvelströmníng, som åstadkommer en mycket effektiv blandning av det förgasat bränsle innehållande primärflödet och den inströmmande sekundära förbränningsluften. Denna in- strömming innebär att tillräckligt mycket syre tillföres det förgasade bränslet för att den eftersträvade oxidationen av kol till kolmonoxid skall ske utan att fritt kol bildas. Det av virvelrörelsen åstadkomma effektiva blandnings- och recirkulationsförloppet bidrar i hög grad till att alstra gynnsamma betingelser för denna prímärförbränningsprocess_ Den återstående, förbi spalten mellan den första och den andra insatsen strömmande delen av det ur rostret 10 utströmmande sekundärflödet går uppåt längs det ringformíga utrymmet mellan 10 15 20 25 30 35 461 295 _ brânnkammarväggen 35 och den andra insatsen 13. avlänkas in i spalten mellan den tredje insatsen 15 och den inâtböjda över- kanten hos insatsen 13 och strömmar från denna kant väsent- ligen radiellt in i brännkammarens centrala del. På samma sätt som vid inloppsspålten för den sekundära förbränningsluften åstadkommes genom denna inströmning av tertial förbrännings- luft en lokal virvelströmning med åtföljande blandning- och recirkulationsförlopp. Det genom tertialinströmningen till- förda syret medger därvid en slutförbränning, vilken huvudsak- ligen består i att kolmonoxid oxíderas till koldioxid.

Det framgår således att förhållandet mellan sekundärförhrän- ningsluftflödet och tertialförbränningsluftflödet beror på syrebehovet för de olika förbränningsstegen. Vid prov med en anordning enligt uppfinningen har det visat sig att anord- ningen fungerar väl med tertialförbränningsluftflöden på mel- lan 30 till SO 2 av det totala från rostret 10 inkommande sekundärflödet. Förhållandet mellan dessa flöden beror natur- ligtvis på sammansättningen av bränslet och eftersträvade oxi- dationsförlopp vid primär- och slutförbränningen och eftersom proven utfördes med förbränning av skogspellets kan andra vär- den uppnâs vid förbränning av andra fastbränslen än normala biobränslen.

Eftersom det utmed insatsväggarnas utsidor strömmande sekun- därflödet kyler dessa väggar genom s.k. filmkylning undvikes inmurningar, vilket är gynnsamt ur driftsynpunkt. och vidare ställes därigenom mindre krav på materialet för insatserna.

Rotationen av den första insatsen sker med en hastighet, som är anpassad till bränslets förbränningscykel. så att en fast- bränslemängd som från inmatningsanordningen faller ned längs en generatris hos den första insatsens vägg är helt förbränd (förgasad) efter ett rotationsvarv då denna generatris åter hamnar mittför utmatningsanordningens utlopp i brännkammaren.

Vid förbränning av pellets i en i enlighet med uppfinningen utformad brännkammare om nominellt 500 kw uppnåddes följande 10 15 20 25 30 35 'Q 461 295 förbränníngsvärden vid i stort sett kontinuerlig matning: C02 17-20 % sottal 0-1 rökgastemperatur 1500-l700°C. vid successiv stängning av spjället 24 minskade koldioxid- halten någon eller nâgra enheter medan sottalet var oföränd- rat. Belastníngen kunde ändras ned till ca 20 1.

Proven kördes med skogspellets med en diameter om ca 12 mm. men även pellets av halm med diametern 17 mm har provets. var- vid de senare uppvisade en viss tendens till sintríng, dvs. en viss bakningstendens hos restprodukterna direkt på det nätför- sedda rostrets noterades. Någon som helst sådan tendens före- fanns ej vid skogspellets. vid proven uppkom s.k. skalning i vissa delar av brännkammaren. Det använda brännkammarmatería~ let var ett allmänt konstruktionsstål (SIS 1312) och detta bör därför i vissa delar av brännkammaren bytas ut mot ett mate- rial med högre skalningstemperatur.

De uppnådda mätvärdena tyder på att de eftersträvade stegen i förbränningsprocessen i hög grad uppnås med en anordning i en- lighet med uppfinningen.

De uppnådda värdena på sottalet. vilket graderas i en skala från 0-10 och är ett mått på i vad mån fritt kol bildas vid förbränningsprocessen. visar att större delen av bränslet för- brännes i förgasad form.

Koldioxidinnehâllet är direkt proportionellt mot luftöver- skottet vid förbränningen och ligger teoretiskt mellan 20-21 1 vid förbränning under stökiometriska förhållanden. De uppnådda värdena på koldioxídinnehållet visar således att förbränningen i en uppfinníngsenlig anordning sker med ett mycket litet luftöverskott och därmed under nära nog stökiometriska förhål- landen.

Den genom uppfinningen åstadkomma rumsliga separeringen av de i förbränningsförloppet ingående tre stegen - förgasning av 10 15 20 25 461 295 ' 10 fastbränsle. primärförbränning och slutförbränning - medför således att primär- och slutförbränníngen kan ske under nära nog stökiometriska betingelser och därmed kan förbränningen i sin helhet drivas med ett mindre luftöverskott än vid den ge- nom WO~83/O0373 kända anordningen.

Den beskrivna anordningen kan naturligtvis modifieras på ett flertal sätt inom ramen för uppfinningen. Exempelvis kan den första insatsen vara statisk i stället för roterande. varvid matningsanordningen i så fall måste anordnas att fördela bränslet jämnt över rostret, vilket exempelvis kan åstadkommas genom att bränslet faller ned på en i brännkammarens centrala del anordnad fördelningskon. Emellertid föredrages en rote- rande första insats. eftersom fördelningsanordningar av kon- ventionell typ har en benägenhet att störa strömningen i brännkammaren i alltför hög grad. Slutförbränningen kan natur- ligtvis åstadkommas i flera slutsteg genom att införa ytter- ligare spaltbildande insatser mellan de visade andra och tredje insatserna. Krökningen hos insatsernas inâtböjda kanter kan varieras för att åstadkomma önskade spalttvärsnitt så att den i brännkammarens inre del inströmmande förbränníngsluften ges önskad riktning och hastighet.

Uppfinningen skall därför endast begränsas av innehållet i bi- fogade patentkrav.

Claims (7)

10 15 20 25 461 295 11 Patentkrav

1. Anordning för att förbränna fasta bränslen, såsom flis. pellets. kol eller finkapad ved, vilken anordning innefattar 'en brännkammare (3). ett roster (10) i anslutning till bränn- kammarens botten. en anordning för att tillföra förbränninge- luft till brännkammaren genom rostret. ett rökgasutlopp (9) i brännkammarens övre ände och en anordning (4) för att mata bränsle till brännkammaren. vilken brânnkammare medelst en första och en andra insats (ll. 13). vilka insatser är rörfor- míga och anordnade över varandra. är indelad i en inre och en yttre del genom att insatserna har mindre diameter än mot- svarande delar av brännkammaren så att ett ringformigt utrymme bildas mellan brännkammarväggen (35) och utsidan av resp. in- sats. varvid insatserna i de mot varandra vettande ändarna har en sådan konfiguration att en spalt för att tillföra sekundär- förbränningsluft till den inre delen av brännkammaren bildas mellan dessa. k ä n n e t e c k n a d av att åtminstone en ytterligare rörformig insats (15) är anordnad i brännkammaren ovanför de två andra insatserna, vilken ytterligare insats el- ler vilka ytterligare insatser har en sådan konfiguration att en luftinloppsspalt bildas mellan underkanten hos varje ytter- ligare insats och överkanten av en underliggande insats, och att underkanten av den översta insatsen sträcker sig fram till insidan av brännkammarväggen (35)-

2. Anordning enligt krav 1. k ä n n e t e c k n a d av att summan av de av de ytterligare insatserna konstituerade luft- inloppsspalternas minsta tvärsnittsareor är lika med eller understiger minsta tvärsnittsarean för sekundärförbrännings- arean för sekundärförbränningsluftsinloppsspalten.

3. Anordning enligt krav 1. k ä n n e t e c k n a d av att tre insatser är anordnade i brännkammaren och att den översta insatsen (15) har formen av en uppåtvänd, stympad kon med en konvinkel, som ligger mellan 150-90°. BV 81212

4. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d väggen hos den översta insatsen (15) samverkar med en ínâtböjd UI 10 15 461 295 12 innerkant hos en underliggande insats till att bilda en luft- ínloppsspalt och att underkanten hos varje mellan den översta och den understa insatsen belägen insats är inåtböjd och på motsvarande sätt samverkar med en inåtböjd överkant hos en underliggande insats.

5. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att den första insatsen (ll) är rotationsdriven.

6. Anordning enligt krav 5. K ä n n e t e c k n a d av att den första insatsen (ll) har cirkulär tvärsníttsform.

7. Anordning enligt krav l. k ä n n e t e c k n a d av att insatserna (13. 15) frånsett den första insatsen (ll) är anordnade inställbara í höjdled.